olivia canto y gladys lima

Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría
Facultad de Ingeniería Eléctrica
Trabajo de Diploma
presentado para optar por el título de
Ingeniero en Telecomunicaciones y Electrónica
Simulación de la interfaz de
capa física WirelessMAN-OFDMA de las redes WiMAX
Autores: Olivia Canto Hernández
Gladys Leydis Lima Hernández
Tutores: Ing. Marice Marrero Rodríguez
Dr. Francisco Marante Rizo
La Habana, Cuba
2015

ii
Agradecimientos
A mi madre por su incansable apoyo y su amor incondicional, por ser mi ejemplo
a seguir y por guiarme siempre por el camino correcto y por ser la mejor mami del
mundo. A mi papá que siempre quizo que estudiara ingeniería y aquí estoy
haciendo su sueño realidad. A mi padrastro que nos crió a mi hermana y a mí
desde que tenía diez años y nos malcrió como si fuéramos sus hijas. A mi
hermana por su confianza y cariño. En fin a toda mi familia que me apoyaron en
todo momento y se preocuparon por mí.
A mi novio José Ernesto por todo su amor y por ser tan comprensivo conmigo,
por estar siempre presente y apoyarme en todas mis decisiones.
A mis amigos, que a pesar de mi carácter me apoyaron en todo momento y me
ayudaron durante los cinco años de carrera. En especial a Gladys y Janey que me
han aguantado desde que las conozco y siempre están ahí cuando las necesito.
A mis profesores, principalmente a aquellos que siempre me ayudaron cuando
más lo necesité.
A mis tutores por todo el apoyo. A Mari que cuando más preocupada estaba con
la realización de esta tesis, me aconsejó y me ayudó para seguir adelante, por su
apoyo y preocupación por mí.
En fin, a todas aquellas personas que de una forma u otra estuvieron siempre
presentes y me brindaron su apoyo sin pedir nada a cambio.
Olivia Canto Hernández

iii
A mi familia por su cariño y apoyo constante. En especial a mi padre Orlando
Lima por ser mi guía e inspiración, por enseñarme el mejor camino a seguir, por
estar siempre que lo necesito, porque ha sido mi ejemplo a seguir por su
perseverancia e integridad. A él le debo lo que soy y lo que he logrado hacer.
Nunca me alcanzarán títulos para dedicarle ni vida para agradecerle.
A mi amiga de toda la vida, Cynthia, por estar siempre presente aunque ahora
está lejos, porque sé que sufre tanto como yo el no poder estar conmigo en este
momento.
A Oly por la paciencia que tiene conmigo y a su familia por acogerme y tratarme
como un miembro más. A Irma por la dulzura, la dedicación y el cariño.
A Kennett por su amor incondicional, por la confianza, por estar a mi lado
siempre, porque nunca dudó en ayudarme y apoyarme en todo, porque fue él
quien me levantó y estuvo pendiente en todo momento de que cumpla esta meta.
A mis compañeros de aula por su ayuda y preocupación. En especial a Janey,
José Ernesto, José Alberto, Yoandy, Yoanny, Dayán, Damián, Jose, Piky, Carlos,
Alejandro, Laura y Rosalba porque con ellos pude contar en todo momento.
También a sus familias por la cooperación.
A mis profesores, en especial a aquellos que más que educarme me aconsejaron y
me apoyaron cuando más lo necesitaba.
A mis tutores por el apoyo brindado. A Mari por su paciencia y comprensión, por
su entrega y abnegación, porque se dedicó por entero a esta tesis como si fuera
suya, porque la hizo suya tanto o más que nosotras, por la amistad.
A todas aquellas personas que me brindaron su apoyo y ayuda desinteresada en
estos cinco años.
Gladys Leydis Lima Hernández

iv
Dedicatoria
A Irma, Octavio, Ricardo y Orlando Lima
por su paciencia y dedicación, y sobre todo
por ser los mejores padres del mundo.
A José Ernesto y Kennett por la paciencia.
A nuestro compañeros de estudio porque
en estos 5 años llegaron a ser más que eso.
A Mari por su apoyo incondicional.

v
Declaración de Autoría
Por este medio se hace constar que Olivia Canto Hernández y Gladys Leydis Lima
Hernández son los únicos autores del trabajo “Simulación de la interfaz de capa física
WirelessMAN-OFDMA de las redes WiMAX”, y autorizan la utilización plena del mismo
por parte del Departamento de Telecomunicaciones y Telemática del Instituto Superior
Politécnico “José Antonio Echeverría” para que realice el uso que estime pertinente.
Para que así conste, se firma la presente a los ____ días del mes de __________ del año
________.
_____________________ ___________________________
Olivia Canto Hernández Gladys Leydis Lima Hernández
__________________________ _______________________
Ing. Marice Marrero Rodríguez Dr. Francisco Marante Rizo

vi
Resumen
Este trabajo de investigación propone el diseño y simulación de la interfaz de capa física
WirelessMAN-OFDMA de WiMAX. Para ello se diseña dicha interfaz de capa física y se
lleva a cabo la implementación de un modelo de simulación, que permite analizar las
características de la capa física de las redes inalámbricas de bandas anchas basadas en
WiMAX, propuestas en el estándar 802.16-2009 de la IEEE.
Las etapas de diseño del modelo y simulación se realizan en el programa MATLAB en su
versión 7.10, haciendo uso de la herramienta de simulación Simulink; y basadas en las
especificaciones del estándar. El objetivo de las mismas es poder observar el
funcionamiento de la capa física basada en OFDMA. Dichas simulaciones y sus
resultados podrán ser usados como base para futuros proyectos de montaje y puesta en
práctica de este sistema inalámbrico.
Los resultados de las simulaciones se muestran en gráficas, donde puede observarse el
comportamiento del BER con respecto a la relación señal a ruido para distintos esquemas
de modulación y modelos de canal, así como el impacto que tiene el FEC y el proceso de
Interleaving o Interpolación sobre la integridad de la información.

vii
Abstract
This investigation proposes the design and simulation of the interface of physical layer
WirelessMAN-OFDMA of WiMAX. In order to obtain this, it is designed the interface of
physical layer and it is carried out the implementation of a simulation model that allows to
analyze the characteristics of the physical layer of the wireless nets of wide bands based
on WiMAX, which were proposals in the standard 802.16-2009 of the IEEE.
The stages of design of the simulation model are carried out in the program MATLAB,
version 7.10, using the simulation tool Simulink; and based on the specifications of the
standard. The objective of these ones is to observe the operation of the physical layer
based on OFDMA. These simulations and their results would be used as base for future
assembly projects and to put into practice this wireless system.
The results of the simulations are shown in graphics, where can be observed the
functioning of BER regarding to the relations sign to noise for different modulation
structures and channel models, as well as the impact that has the FEC and the
interleaving process or interpolation about the integrity of the information.

viii
Índice General
Introducción............................................................................................................................. 1
Generalidades de WiMAX......................................................................................................... 7
1.1 Introducción........................................................................................................................ 7
1.2 Generalidades y evolución de la tecnología WiMAX .......................................................... 8
1.3 Modelos de Propagación................................................................................................... 12
1.3.1 LOS............................................................................................................................. 12
1.3.2 NLOS.......................................................................................................................... 13
1.4 Soluciones de WiMAX a la Tecnología NLOS..................................................................... 15
1.4.1 Tecnología OFDM/OFDMA........................................................................................ 15
1.4.2 Subcanalización......................................................................................................... 20
1.4.3 Diversidad en la transmisión y en la recepción......................................................... 23
1.4.4 Modulación Adaptativa............................................................................................. 23
1.4.5 Técnicas de corrección de errores ............................................................................ 24
1.4.6 Control de Potencia................................................................................................... 25
1.4.7 Adaptative Array System (AAS)[6]............................................................................. 25
1.5 Estructura por capas de WiMAX ....................................................................................... 27
1.5.1 Capa MAC.................................................................................................................. 28
1.6 Principales Características................................................................................................. 29
1.7 Funcionamiento de WiMAX .............................................................................................. 33
1.8 Funciones de Seguridad .................................................................................................... 39
1.9 Calidad de Servicio ............................................................................................................ 40
1.10 Servicios Soportados......................................................................................................... 41
1.11 Ventajas de WiMAX para el mundo inalámbrico .............................................................. 42
1.12 Aplicaciones de WiMAX[2]................................................................................................ 43
1.13 Conclusiones...................................................................................................................... 46
La Capa PHY ........................................................................................................................... 47
2.1 Introducción...................................................................................................................... 47
2.2 Tipo de interfaz física para la IEEE 802.16......................................................................... 47
2.2.1 WirelessMAN-SC ....................................................................................................... 49

ix
2.2.2 WirelessMAN-SCa...................................................................................................... 50
2.2.3 WirelessMAN-OFDM[6]............................................................................................. 52
2.2.4 WirelessMAN-OFDMA............................................................................................... 54
2.2.5 WirelessHUMAN........................................................................................................ 55
2.3 WirelessMAN-OFDMA....................................................................................................... 56
2.3.1 Codificación del canal................................................................................................ 58
2.3.1.1 Randomizer ....................................................................................................... 59
2.3.1.2 Forward Error Correction o FEC[6].................................................................... 60
2.3.1.2.1 Código Convolucional .................................................................................... 60
2.3.1.2.2 Puncturing o Punteo...................................................................................... 62
2.3.1.3 Interleaving o Interpolación.............................................................................. 63
2.3.2 Modulación ............................................................................................................... 66
2.3.3 Mapeo a Subcanales OFDMA.................................................................................... 68
2.3.4 Prefijo Cíclico............................................................................................................. 69
2.4 Conclusiones...................................................................................................................... 70
Descripción del modelo a simular y análisis de la simulación.................................................... 71
3.1 Introducción ............................................................................................................................ 71
3.2 Descripción básica del funcionamiento de Simulink............................................................... 72
3.3 Modelado de sistemas en Simulink......................................................................................... 72
3.4 Descripción del Sistema a Simular. ......................................................................................... 72
3.5 Diagrama a bloques del modelo WiMAX OFDMA 128 y configuración de la capa física........ 75
3.6 Descripción del diagrama en bloques del modelo.................................................................. 76
3.6.1 Bloque: Fuente de Datos.................................................................................................. 76
3.6.2 FEC.................................................................................................................................... 77
3.6.2.1 Bloque: Codificador Convolucional + Pucture........................................................... 78
3.6.3 Bloque: Interleaver/Deinterleaver................................................................................... 80
3.6.4 Bloque: Modulador QAM/Demodulador QAM................................................................ 81
3.6.5 Bloque: Normalización ..................................................................................................... 81
3.7 Modelado del canal................................................................................................................. 84
3.7.1 Características de los canales inalámbricos ..................................................................... 84
3.7.2 Modelo de Canal SUI (Stanford University Interim)......................................................... 84

x
3.7.3 Simulación del canal de transmisión................................................................................ 86
3.8 Análisis de la Simulación ......................................................................................................... 87
3.8.1 Bit Error Rate (BER) .......................................................................................................... 88
3.8.2 Comportamiento del sistema en canales multitrayectos ......................................... 89
3.8.3 Efecto del FEC................................................................................................................... 91
3.8.4 Efecto del Interleaver....................................................................................................... 93
3.9 Conclusiones...................................................................................................................... 94
Conclusiones .......................................................................................................................... 95
Recomendaciones .................................................................................................................. 96
Referencias Bibliográficas ....................................................................................................... 97
Bibliografía General................................................................................................................ 99
Glosario................................................................................................................................ 102

xi
Índice de Figuras
Figura 1.1 Evolución del estándar 802.16......................................................................................... 11
Figura 1.2 Zona de Fresnel. ............................................................................................................... 13
Figura 1.3 Multitrayecto.................................................................................................................... 14
Figura 1.4 FDM y OFDM. ................................................................................................................... 16
Figura 1.5 Tiempo de guarda e interferencia intersímbolo. ............................................................. 17
Figura 1.6 Representación de los símbolos OFDM en el dominio de la frecuencia.......................... 19
Figura 1.7 Distribución de las portadoras en OFDMA....................................................................... 20
Figura 1.8 Efecto de la Subcanalización. ........................................................................................... 22
Figura 1.9 Modulación Adaptativa.................................................................................................... 24
Figura 1.10 Estructura por capas de WiMAX. ................................................................................... 27
Figura 1.11 Proceso de adquisición del canal. .................................................................................. 35
Figura 1.12 Control de acceso al medio............................................................................................ 37
Figura 1.13 Aplicación punto a multipunto....................................................................................... 44
Figura 1.14 Redes mesh. ................................................................................................................... 45
Figura 1.15 Sistemas móviles. ........................................................................................................... 46
Figura 2.1 Proceso de transmisión.................................................................................................... 51
Figura 2.2 Modulación OFDM. .......................................................................................................... 52
Figura 2.3 Subportadoras OFDM....................................................................................................... 53
Figura 2.4 Transmisión en OFDM...................................................................................................... 54
Figura 2.5 Modulación OFDMA......................................................................................................... 57
Figura 2.6 Descripción de la frecuencia en OFDMA.......................................................................... 57
Figura 2.7 Proceso de codificación del canal. ................................................................................... 58
Figura 2.8 Generador PRBS para la aleatorización de datos............................................................. 60
Figura 2.9 Codificador convolucional de tasa 1/2............................................................................. 61
Figura 2.10 Interleaver...................................................................................................................... 65
Figura 2.11 Constelaciones QPSK, 16-QAM Y 64-QAM..................................................................... 67
Figura 3.1 Diagrama en bloques del modelo. ................................................................................... 75

xii
Figura 3.2 Diagrama en bloques de los procesos básicos del estándar............................................ 76
Figura 3.3 Bloque “Fuente de Datos”................................................................................................ 76
Figura 3.4 Bloque “Codificador Convolucional + Puncture”. ............................................................ 78
Figura 3.5 Bloque “Decodificador de Viterbi”................................................................................... 79
Figura 3.6 Ejemplo de diagrama de Trellis........................................................................................ 80
Figura 3.7 Bloque “Interleaver/Deinterleaver”................................................................................. 81
Figura 3.8 Bloque “Modulador/Demodulador QAM”....................................................................... 81
Figura 3.9 Bloque “Normalización”................................................................................................... 82
Figura 3.10 Bloque "Símbolos OFDMA"............................................................................................ 83
Figura 3.11 Bloque "Datos OFDMA". ................................................................................................ 83
Figura 3.12 Canales SUI y canal AWGN............................................................................................. 86
Figura 3.13 Perfil de retardo en canales SUI..................................................................................... 87
Figura 3.14 BER vs SNR usando el modelo del canal AWGN............................................................. 88
Figura 3.15 BER vs SNR en un canal SUI-1......................................................................................... 89
Figura 3.17 BER vs SNR en una canal SUI-3....................................................................................... 90
Figura 3.21 Efecto del FEC sobre la curva BER para QPSK 1/2 en un canal AWGN........................... 92
Figura 3.22 Efecto del FEC sobre la curva BER para 16 QAM 1/2 en un canal AWGN...................... 93
Figura 3.23 Efecto del FEC sobre la curva BER para 64 QAM 3/4 en un canal AWGN...................... 93
Figura 3.24 Efecto del Interleaver sobre la curva de BER para QPSK 1/2 en el canal AWGN........... 94
Figura 3.25 Efecto del Interleaver sobre la curva de BER para 16 QAM 1/2 en el canal AWGN. ..... 94

xiii
Índice de Tablas
Tabla 1.1 Resumen de los principales estándares de WiMAX. ......................................................... 12
Tabla 2.1 Características de las interfaces de la capa PHY del estándar 802.16............................... 49
Tabla 2.2 Esquema de canalización de WirelessHUMAN.[11] .......................................................... 56
Tabla 2.3 Esquemas de modulación y codificación.[12] ................................................................... 59
Tabla 2.4 Código convolucional interno con configuración puncture. ............................................. 63
Tabla 2.5 Índices de Ncpc.................................................................................................................. 65
Tabla 2.6 Tamaños de bloque del interleaver................................................................................... 66
Tabla 2.7 Factores de normalización................................................................................................. 68
Tabla 3.1 Parámetros que caracterizan al símbolo OFDMA. ............................................................ 74
Tabla 3.2 Código convolucional interno con configuración puncture. ............................................. 79
Tabla 3.3 Parámetros de los canales SUI........................................................................................... 86

1
Introducción
Hoy en día el crecimiento explosivo de Internet ha provocado demandas de capacidad
más alta, mayor velocidad de transferencia de datos y servicios multimedia más
avanzados a clientes comerciales y residenciales. Las tecnologías de comunicaciones
evolucionan día a día vertiginosamente, debido a las crecientes necesidades solicitadas
por parte de los usuarios y servicios. Así, nuevos estándares surgen y otros son
mejorados, para cubrir nuevos escenarios: comunicaciones en movimiento, mayores
distancias, mayores tasas de transferencia, etc.
A priori, dentro del espectro de tecnologías actuales, Bluetooth y WiFi (Fidelidad
Inalámbrica, del inglés Wireless Fidelity) están diseñadas para soportar redes personales
y locales, mientras que las tecnologías celulares junto con WiMAX (Interoperabilidad
Mundial para Acceso por Microondas, del inglés Worldwide Interoperability for Microwave
Access) pretenden cubrir áreas metropolitanas de mayor extensión. La competencia
entre los distintos fabricantes de equipos y proveedores de servicios hace que se ideen
nuevas soluciones para cubrir determinados requisitos y lograr una mayor cuota de
mercado. WiMAX ha traído una revolución en la tecnología de banda ancha inalámbrica.
Tras el éxito que vieron las operadoras de internet con WiFi, rápidamente los fabricantes
empezaron a pensar en una tecnología bastante más avanzada y ahí surgió la
certificación WiMAX en el año 2001. La gran diferencia con WiFi es su enorme distancia
de cobertura y que es mucho más rápida. Pero no solo eso, con WiMAX se alcanza
cobertura incluso en movimiento, pudiendo viajar a velocidades de hasta 250Km/h.
Además WiFi está diseñado para entornos de interior, mientras que WiMAX lo está para
entornos exteriores, pudiendo dar acceso a más de 100 usuarios de forma simultánea.
WiMAX es un sustituto a la tecnología DSL (Línea de Suscripción Digital, del inglés Digital
Subscriber Line) alambrada para soluciones de última milla para proporcionar servicios
backhaul1
, aumentando así la velocidad de transferencia de datos para un área grande. El
estándar 802.16 de la IEEE (Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos, del inglés
Institute of Electrical and Electronics Engineers) proporciona la conectividad debanda
ancha inalámbrica fijada, nómada y móvil sin la necesidad de línea de vista directa con la
estación base. Esto permite al usuario conseguir todos los servicios nuevos y emergentes,
1
Conexión de baja, media o alta velocidad, para interconectar redes entre sí con diferentes tecnologías.

2
tales como VoD (Televisión a la Carta o Vídeo Bajo Demanda, del inglés Video On
Demand), e IPTV (Internet Protocol Television) en el lugar requerido.
Esta tecnología está pensada para construir una infraestructura de red cuando el entorno
o distancia no es favorable para una red cableada (por ejemplo zonas rurales de difícil
acceso). Es una alternativa más rápida y barata que tener que instalar cables. También se
está usando actualmente para conexiones entre empresas, o entre sedes de Internet,
aunque muchas operadoras se han lanzado a ofrecer este servicio a los consumidores
finales, a precios y velocidades muy atractivos. WiMAX tiene el propósito de democratizar
el acceso al Internet de Banda Ancha, es decir, permitir el acceso a banda ancha
inalámbrica y de alta velocidad a un precio que todo mundo pueda pagar y en cualquier
sitio. Las compañías Intel y Nokia son las que se han dedicado a desarrollar e impulsar
esta tecnología.
El estándar IEEE 802.16 está diseñado para apoyar estas demandas y especifica 5
interfaces para la capa física de WiMAX, el trabajo en cuestión se dedica al estudio y
análisis de la interfaz WirelessMAN-OFDMA. Con dichos sistemas es posible lograr un
rápido despliegue, altas velocidades de transferencia de datos, escalabilidad alta,
servicios multimedia y bajos costos de mantenimiento y mejoras. Esta tecnología se dirige
a clases de servicio múltiples y ofrece la posibilidad de adaptar la modulación y los
esquemas de modulación basados en las condiciones del canal. Propone también un
grupo de mecanismos, tales como empaquetado y fragmentación, para permitir el uso
eficiente del ancho de banda disponible.
Este trabajo de tesis se desarrolla con el propósito de analizar el comportamiento de la
interfaz de capa física WirelessMAN-OFDMA del estándar IEEE 802.16 (mediante su
simulación en la herramienta Simulink de MATLAB 7.10). Para la ejecución de este
proyecto se realiza un profundo análisis teórico de la tecnología WiMAX, basando
nuestros estudios, fundamentalmente, en el estándar IEEE 802.16 - 2009, en el cual se
basa el modelo de simulación propuesto.
Se tuvo en cuenta aspectos claves, tales como los modelos de propagación, cuya
elección está determinada entre otras cosas por el tipo de servicio que vaya a ser
brindado; y las técnicas que emplea WiMAX para resolver los problemas que ocasiona el
uso de la tecnología NLOS (Sin Línea de Vista, del inglés Non Line of Sight). Otras
generalidades de WiMAX son desarrolladas en este trabajo debido a su importancia, tales

3
como su estructura, funcionamiento y principales características. Se abordan también
elementos relacionados con la seguridad y la calidad de servicio que brinda, los diferentes
tipos de servicio que soporta así como sus aplicaciones y ventajas para el mundo
inalámbrico.
En la tesis se incluyen algunos elementos teóricos fundamentales relacionados con la
capa PHY y con cada una de sus interfaces. Además se profundiza en la interfaz
WirelessMAN-OFDMA, sus principales características y una minuciosa caracterización de
las etapas del proceso de transmisión. El diseño del modelo propuesto se simula con la
ayuda de la herramienta Simulink del software MATLAB 7.10, la cual nos brinda un
conjunto de bloques funcionales capaces de realizar todos los procesos por los que pasa
la información que se desea transmitir y que están definidos en el estándar IEEE 802.16.
Situación Problemática
La tecnología WiMAX es la tendencia actual en el entorno de las comunicaciones
inalámbricas, vigorizada a nivel mundial por su versatilidad y alto rendimiento.
Nuestro país no está exento de esta tendencia por lo que ha comenzado despliegues con
esta tecnología y pruebas asociadas con la misma. A pesar de que se han realizado
investigaciones acerca del desempeño de la capa física de la tecnología WiMAX, se hace
necesario tener una idea o visualizar el funcionamiento de la misma mediante una
herramienta de simulación que lo permita, antes de su montaje y puesta en práctica. De
ahí la necesidad de utilizar un simulador de la capa física del estándar, con el fin de
estudiar el comportamiento a pequeña escala de este sistema inalámbrico para futuros
despliegues.
Problema a Resolver
Comprobar y evaluar la efectividad y el rendimiento de la capa física de la tecnología
WiMAX mediante la herramienta de simulación Simulink de MATLAB 7.10.

4
Objeto de estudio
La interfaz de capa física WirelessMAN-OFDMA del estándar IEEE 802.16.
Campo de acción
La simulación de la interfaz de capa física WirelessMAN-OFDMA del estándar IEEE
802.16 en Simulink de MATLAB 7.10.
Objetivo General
Analizar el comportamiento de la interfaz de capa física WirelessMAN-OFDMA del
estándar IEEE 802.16 mediante su simulación en la herramienta Simulink de MATLAB
7.10.
Tareas
1. Realizar un estudio bibliográfico de la norma IEEE 802.16, para decidir qué
aspectos de la misma se incluirán en el modelo desarrollado.
2. Estudiar los modelos propagación.
3. Analizar las características de la capa física de WiMAX, haciendo énfasis en la
interfaz WirelessMAN-OFDMA para su posterior simulación.
4. Implementar un modelo de simulación de la capa física basada en OFDMA,
utilizando la herramienta Simulink de MATLAB 7.10, que proporcione el
comportamiento dinámico de la interfaz de capa física Wireless-MAN OFDMA.
5. Verificar la influencia de los bloques fundamentales del modelo, en el
comportamiento global del sistema.
6. Analizar los resultados obtenidos.

5
Hipótesis
Es posible comprobar y evaluar el rendimiento de la capa física de una red WiMAX
mediante la herramienta de simulación Simulink de MATLAB 7.10.
Métodos de Trabajo
 Método sistémico
Se determinan los diferentes bloques que componen la capa física de una red WiMAX,
así como los parámetros que los caracterizan.
 Método empírico
Se realiza el diseño y simulación de la capa física de una red WiMAX.
 Método Teórico
Se realiza una revisión bibliográfica para conocer las características de la tecnología
WiMAX, haciendo énfasis en su capa física.
Organización de la Tesis
La presente tesis se organiza en 3 capítulos, en los que se ofrece un detallado listado de
todos los elementos de la interfaz en cuestión. Se tuvieron en cuenta tanto las
especificaciones del estándar como también los aspectos teóricos correspondientes, que
son necesarios para entender todos los métodos y procesos que se han utilizado.
El contenido de la tesis está estructurado de la siguiente forma. En el capítulo 1 se aborda
la fundamentación teórica de las redes inalámbricas de banda ancha basadas en la
tecnología WiMAX; .se presentan los conceptos fundamentales, características,
funcionamiento, estructura y ventajas de la tecnología.
En el capítulo 2 se estudian los aspectos teóricos de las interfaces de capa física del
estándar IEEE 802.16; centrándose en la interfaz WirelessMAN-OFDMA donde se apoya
el modelo de simulación. Se analizan además cada una de las etapas de la cadena de
transmisión de dicha interfaz según el estándar IEEE 802.16 del 2009.

6
En el capítulo 3 se describen los diferentes bloques de la implementación del modelo
realizado en Simulink de MATLAB 7.10. Además, se profundiza en algunas de las etapas
descritas en el capítulo dos pero desde la visión de la implementación. Se concluye con
los resultados de la simulación y una breve interpretación de los mismos.

CAPÍTULO 1
Generalidades de WiMAX
1.1 Introducción
WiMAX es una norma de transmisión de datos que utiliza las ondas de radio en las
frecuencias de 2,3 a 3,5 GHz y puede alcanzar coberturas de 40 a 70 km. Mediante su
uso es posible proporcionar conectividad de banda ancha a hogares, empresas y usuarios
móviles; permitiendo ofrecer un ancho de banda mucho más grande, una encriptación
más fuerte, mayor capacidad de usuarios y, en comparación con lo brindado por la
tecnología WiFi, mejorar el rendimiento en largas distancias gracias a la conexión con la
BS (Estación Base,del inglés Base Station) que no necesariamente se encuentra en línea
de vista. Una de las técnicas de modulación que emplea WiMAX es la tecnología OFDMA
(Acceso Múltiple por División de Frecuencia, del inglés Orthogonal Frequency-Division
Multiple Access), la cual tiene una baja tasa de consumo de potencia y permite asignar un
número diferente de subportadoras a cada uno de los usuarios, garantizando así una
diferente QoS (Calidad de Servicio, del inglés Quality of Service) en función del ancho de
banda asignado. Es decir, OFDMA, permite establecer una velocidad de conexión y una
probabilidad de error individualmente para cada usuario. Puede ser empleada para varias
aplicaciones, incluyendo conexiones de banda ancha de “última milla”, hostpot2
, backhaul
celular y conectividad de alta velocidad para empresas de negocios, debido a que soporta
servicios de banda ancha tales como video y VoIP (Voz sobre Protocolo de Internet,
también llamado Voz sobre IP, del inglés Voice over IP). Además, también puede ser una
opción de tecnología backhaul para redes WiFi municipales en áreas rurales, donde el
despliegue de cable o fibra, por la baja densidad de población, presenta unos costos por
usuario muy elevados.
En este capítulo se lleva a cabo un análisis de los aspectos teóricos de la tecnología
WiMAX debido a la importancia que tiene para las redes inalámbricas de banda ancha
basadas en dicha tecnología. Se describen los modelos de propagación que emplea, cuya
elección está en dependencia de la zona y del tipo de servicio que vaya a ser brindado.
2
Zona de cobertura WiFi.

Capítulo I Generalidades de WiMAX
8
Se explican las soluciones de WiMAX a los problemas debidos al uso de la tecnología
NLOS, y se presentan las tecnologías OFDM (Multiplexación por División de Frecuencias
Ortogonales,del inglés Orthogonal Frequency Division Multiplexing) y OFDMA como
técnicas de modulación utilizadas. Se muestra la capa MAC (Control de Acceso al Medio,
del inglés Media Access Control) como una interfaz entre las capas superiores y la capa
física. Se abordan las principales características de WiMAX, así como los aspectos claves
de la seguridad, su funcionamiento, la QoS que proporciona y los servicios que soporta,
sus ventajas y aplicaciones.
1.2 Generalidades y evolución de la tecnología WiMAX
WiMAX es el nombre comercial de un grupo de tecnologías inalámbricas que emergieron
de la familia de estándares inalámbricos de banda ancha publicados por la IEEE. Se trata
de una especificación para las redes WMAN (Red Inalámbrica de Área Metropolitana, del
inglés Wireless Metropolitan Area Network) IEEE 802.16. Si bien el término WiMAX sólo
tiene algunos años, el estándar 802.16 ha existido desde fines de la década de 1990.
Originalmente este estándar se enfocó en desarrollar soluciones en las bandas de 10
hasta 66 GHz con un objetivo único, lograr altas velocidades de conexión en redes sin
fibra óptica. Este sistema fue concebido para distribuir el ancho de banda en una
configuración punto a multipunto en ambientes LOS (Línea de Visión, del inglés Line of
Sight); utilizando la técnica OFDM para el multi-direccionamiento, así se soportan canales
con un ancho de banda mayor a 10 MHz. En diciembre del 2001 el grupo IEEE 802.16
aprobó un estándar, el cual hace especificaciones en la capa PHY donde se usan
técnicas de modulación con una única portadora y a la capa MAC donde se usa una
estructura TDM (Multiplexación por División de Tiempo, del inglés Time Division
Multiplexing) que soporta tanto FDD (Duplexación por División en Frecuencia, del inglés
Frecuency Division Duplex) como TDD (Duplexación por División en Tiempo). En esta
misma fecha se crea el WiMAX Fórum para promover el estándar y para ayudar a
asegurar la compatibilidad y la interoperabilidad a través de múltiples fabricantes.
WiMAX Fórum es un consorcio de empresas (hoy en día más de 500) dedicadas a
diseñar los parámetros y estándares de esta tecnología, y a estudiar, analizar y probar los

9
desarrollos implementados. Es una organización no lucrativa formada por unas 255
compañías líderes en el desarrollo de tecnología en telecomunicaciones.
Cada equipo certificado por el Fórum WiMAX está diseñado y es configurable para varios
escenarios de acceso inalámbrico de banda ancha. Estos escenarios incluyen desde la
posibilidad de largo alcance (en teoría 50 Km) con baja densidad de población y
condiciones LOS, hasta despliegues de un menor alcance con condiciones NLOS y
entorno urbano densamente poblado. Los servicios pueden ser fijos, portátiles, móviles o
una combinación de los mismos.
Debido a que es muy compleja la fabricación y operación de los sistemas que operan en
el rango de frecuencias superior a 11 GHz se comenzó el trabajo para extender y
modificar el rango de acción de este estándar hacia bandas con y sin licencia desde 2
hasta 11 GHz, que permite el uso de la tecnología NLOS. Este nuevo esfuerzo se
convirtió en el estándar IEEE 802.16a en el 2003 con los esquemas agregados de OFDM
como parte de la capa física, para un funcionamiento en ambientes multidireccionales o
multitrayectorias y especificó también opciones adicionales en la capa MAC incluyendo
soporte para OFDMA. En el 2004 se hace una amplia revisión del estándar 802.16a
dando lugar al 802.16-2004 (802.16d) donde se reúnen características de los estándares
antecesores. En este mismo año se comienza a trabajar en la búsqueda de soluciones
para brindar aplicaciones móviles con esta tecnología. Fue entonces que en el 2005 se
completó y se aplicó el estándar 802.16e utilizando técnicas OFDM escalable en la capa
física y realizando modificaciones para soportar altas velocidades de movilidad en la capa
MAC.[1] Por último, en el 2009, se publicó un estándar, el IEEE 802.16-2009 (802.16m),
el cual es un estándar vigente que incluye tanto aplicaciones fijas como móviles, e incluso
aplicaciones de backhaul1
en alta frecuencia.[2]
Como se ha detallado anteriormente, el estándar IEEE 802.16 ha sufrido diferentes
revisiones desde su creación y se ocupa de dos modelos para su uso, como son WiMAX
fijo y WiMAX móvil. A continuación se detallan las características más significativas de
estos dos modelos.

10
WiMAX Fijo
Fue definido en la versión 802.16d del estándar IEEE 802.16. Esta versión está basada
en la modulación OFDM y soporta acceso tanto fijo como nómada en entornos en los que
puede haber, o no, visión directa (LOS/NLOS). Esta forma de red se definió como "fijo
inalámbrico" se denomina de esta manera porque se utiliza una antena, colocada en un
lugar estratégico del suscriptor. Esta antena se ubica generalmente en el techo de una
habitación en un mástil, parecido a un plato de la televisión del satélite. También se ocupa
de instalaciones interiores, en cuyo caso no necesita ser tan robusto como al aire libre.
Para el entorno fijo las velocidades teóricas máximas que se pueden obtener son de 70
Mbit/s con un ancho de banda de 20 MHz y se trabaja a 2.5 GHz autorizado y desde 3.5
hasta 5.8 GHz no autorizado. Sin embargo, en entornos reales se han conseguido
velocidades de 20 Mbit/s con radios de célula de hasta 6 km, ancho de banda que es
compartido por todos los usuarios de la célula.
WiMAX Móvil
Fue definido en la versión 802.16e del estándar IEEE 802.16 con el fin de enfocarse hacia
el mercado móvil añadiendo portabilidad y capacidad para clientes móviles con
capacidades de conexión WiMAX (IEEE 802.16e).
Los dispositivos equipados con WiMAX que cumpla el estándar IEEE 802.16e usan
OFDMA, que ofrece ventajas inherentes en términos de latencia, eficiencia en el uso del
espectro de frecuencia de radio y soporte avanzado de antenas, lo que en definitiva se
traduce en un desempeño superior al de las actuales tecnologías de redes inalámbricas
de área amplia. Esta técnica se emplea con el fin reducir la interferencia multitrayecto en
entornos en los que no hay visión directa entre las antenas. OFDMA es similar a OFDM
en que divide el canal en múltiples subportadoras; sin embargo, va un paso más allá,
agrupando subportadoras múltiples en subcanales. Una sola estación cliente del
suscriptor podría usar todos los subcanales dentro del período de la transmisión. En la
versión 802.16e se introdujo la variante SOFDMA (OFDMA Escalable) para soportar
anchos de banda escalables desde 1.25MHz hasta 20MHz.

11
Figura 1.1 Evolución del estándar 802.16.
A continuación se muestra una tabla resumen de las diferentes versiones del estándar
802.16: (Ver Figura 1.1)

12
Tabla 1.1 Resumen de los principales estándares de WiMAX.
Estándar 802.16 802.16a 802.16d 802.16e
Lanzamiento Diciembre 2001 Enero 2003 Septiembre 2004 Diciembre 2005
Banda de
Frecuencia
10-66 GHz 2-11 GHz <11 GHz 2-6 GHz
Tasa de Bit
32 - 124 Mbps
con canales de
28 MHz
Hasta 75 Mbps
con canales de
hasta 20 MHz
Hasta 75 Mbps
con canales de
hasta 20 MHz
Hasta 15 Mbps
con canales de 5
MHz
Funcionamiento
Solo con visión
directa (LOS)
Sin visión directa
(NLOS)
Sin visión directa
(NLOS)
Sin visión directa
(NLOS)
Cobertura
2-5 Km. aprox.
40 Km. máx.
5-10 Km aprox.
50 Km máx.
6-10 Km aprox.
50 Km máx.
2-5 Km aprox.
Modulación
QPSK, 16QAM y
64QAM
OFDM con 256
subportadoras,
QPSK
OFDM con 256
subportadoras,
QPSK, 16QAM y
64QAM
SOFDMA
OFDM
OFDMA
Movilidad Sistema Fijo Sistema Fijo Sistema Fijo
Movilidad
pedestre
1.3 Modelos de Propagación
Existen dos modelos de propagación, LOS y NLOS, los cuales se emplean en
dependencia de la zona y del tipo de servicio que vaya a ser brindado en un sistema
inalámbrico. La elección de uno de ellos está determinada por los obstáculos que están
presenten en el medio de comunicación como: la presencia de árboles, edificaciones,
elevaciones del terreno, etc.
1.3.1 LOS
LOS es un canal de radio con línea de vista directa entre BS y la SS (Estación de
Suscriptor, del inglés Station Suscriptor). En estos enlaces la señal viaja a través de un

13
camino directo, sin obstáculos desde el transmisor hacia el receptor. Un enlace LOS
requiere que el 60% de la primera zona de Fresnel esté libre de cualquier tipo de
obstrucción, evitándose cualquier efecto de difracción en la señal. Por lo tanto, cuando se
realiza un enlace entre dos puntos con visibilidad directa se tiene que conocer la distancia
y la altura de los obstáculos, así como la altura del transmisor y receptor.[1]
En la Figura 1.2 se puede observar la representación de la zona de Fresnel, estas zonas
determinan los puntos en donde la contribución de la señal por el camino directo y por el
camino difractado se encuentra en fase y contrafase, sumándose de manera constructiva
o deconstructiva, de forma alternada. Si este criterio no se cumple, entonces se produce
una significativa reducción en el nivel de intensidad de la señal recibida.
Figura 1.2 Zona de Fresnel.
1.3.2 NLOS
En un enlace NLOS, el canal de radio se encuentra sin visibilidad directa entre la BS y la
SS. En estos enlaces la señal alcanza el receptor a través de reflexiones, difracciones y
dispersiones en diferentes obstáculos. La señal que llega al receptor se compone de la
señal directa, de múltiples señales reflejadas de menor intensidad y de diferentes caminos
de propagación causados por la difracción como se muestra en la Figura 1.3. Estas

14
señales tienen diferentes retardos (delay spread), atenuación, polarización y estabilidad
respecto a la señal directa.
Figura 1.3 Multitrayecto.
El fenómeno de multitrayectoria puede causar también que la polarización de la señal
cambie. Así el rehúso de frecuencias, que normalmente se hace en los despliegues LOS,
puede ser problemático en el caso de NLOS. A menudo los estrictos requerimientos de
planificación y las restricciones en la altura de la antena no permiten a la antena ser
posicionada para un LOS, sin embargo hay una ventaja que hace a los despliegues NLOS
más deseables y es que las antenas no necesitan tener gran altura debido a que no se
necesita visibilidad directa entre la BS y la SS. Para despliegues celulares contiguos a
gran escala, donde el rehúso de frecuencia es crítico, bajar la antena es una ventaja para
reducir la interferencia co-canal entre células adyacentes, sin embargo, los sistemas LOS
no pueden reducir la altura de las antenas porque perderían la visibilidad directa con el
receptor. Esto a menudo fuerza a las estaciones base a operar en condiciones de NLOS.
La tecnología NLOS también reduce los gastos de instalación debido a la facilidad de
ubicación de los CPE (Equipo Local del Cliente, del inglés Customer Premises
Equipment). Este modo de propagación y las características mejoradas de WiMAX hacen
posible el uso de equipos de interior CPE. Esto tiene dos principales retos; primeramente
superar las pérdidas de penetración y segundo, cubrir distancias razonables con

15
transmisores de baja potencia. La cobertura NLOS puede ser mejorada por algunas
capacidades opcionales de WiMAX.[1]
1.4 Soluciones de WiMAX a la Tecnología NLOS
La utilización de las condiciones NLOS acarrea determinados problemas. La tecnología
WiMAX emplea algunas técnicas con el objetivo de resolver o minimizar dichos
problemas, tales como:
 Tecnología OFDM/OFDMA.
 Subcanalización.
 Diversidad en la transmisión y en la recepción.
 Modulación Adaptativa.
 Técnicas de corrección de errores.
 Control de Potencia.
 Adaptative Array System (AAS).
1.4.1 Tecnología OFDM/OFDMA
La técnica de modulación OFDM puede ser desarrollada como una tecnología de múltiple
acceso ortogonal por división de frecuencia (OFDMA). En este caso cada símbolo OFDM
puede transmitir información desde o hacia varios usuarios utilizando diferentes grupos de
subportadoras. En OFDMA, la subcanalización activa varios clientes para transmitir al
mismo tiempo sobre los subcanales asignados para cada uno de ellos.
OFDM
OFDM es una técnica de multiplexación de multiportadora que proviene de la década de
1960, pero que ha resurgido en la actualidad por sus aplicaciones en transmisiones
inalámbricas. En cuanto a sus aplicaciones, además de las relacionadas con el uso militar
de sus orígenes, está presente en la ADSL (Línea de Abonado Digital Asimétrica del

16
inglés Asymmetric Digital Subscriber Line), DAB (Radiodifusión de Audio Digital, del inglés
Digital Audio Broadcasting), DVB-T (Difusión de Video Digital – Terrestre, del inglés Digital
Video Broadcasting – Terrestrial), junto a las ya mencionadas en comunicaciones
inalámbricas WiFi (802.11a,g) y WiMAX.
En la técnica OFDM se combina la multiplexación y la modulación. La idea básica de la
multiplexación se refiere a un subgrupo de señales independientes de una señal principal
que luego es modulada y remultiplexada para crear una portadora OFDM.
OFDM se basa en la combinación de múltiples portadoras moduladas, solapadas
espectralmente, pero manteniendo las señales moduladas ortogonales, de manera que no
se producen interferencias entre ellas, esto se realiza después de pasar la señal por un
codificador de canal con el objetivo de corregir los errores producidos en la transmisión.
De esta manera es posible incrementar la eficiencia espectral, sin tener interferencia entre
los canales (Ver Figura 1.4). Además, es posible utilizar diferentes técnicas de modulación
entre portadoras, con lo cual se consigue una funcionalidad extra.
Figura 1.4 FDM y OFDM.
La causa por la que se ha popularizado OFDM en la tecnología WiMAX, y que constituye
además una de sus ventajas, es la capacidad para gestionar los diferentes retardos que
se producen en señales que padecen multitrayecto. En un canal radio estos efectos se

17
traducen en la no respuesta plana del canal y la aparición de nulos que normalmente
conducen a la pérdida completa de la señal. Además, estos multitrayectos pueden
producir interferencia entre símbolos, provocado por los diferentes retardos, que hace que
se mezclen símbolos consecutivos. Como se puede apreciar en la Figura 1.5, esto se
soluciona mediante la utilización de un período de guarda para cada símbolo OFDM, el
cual es suficientemente grande como para que el multitrayecto de un bloque no afecte al
siguiente. La habilidad de sobreponerse al ensanchamiento por retardo, la multitrayectoria
y el ISI (Interferencia entre Símbolos, del inglés Intersymbol Interference) posibilita el
incremento de la velocidad del sistema.
Figura 1.5 Tiempo de guarda e interferencia intersímbolo.
Sin embargo presenta la desventaja de ser más sensible que las técnicas tradicionales al
desfase en frecuencia o desfase en la sincronización temporal. Además, por su carácter
ortogonal, presenta una elevada relación peak-to-average3
, condicionando el tipo de
amplificadores que se pueden utilizar. Otra desventaja se debe a que la distribución de
datos sobre muchas portadoras, hace que alguno de los bits transmitidos pueda ser
recibido de manera errónea. Es por ello que se hace imprescindible utilizar mecanismos
3
Relación de pico promedio.

18
de corrección de errores, que añaden bits adicionales en la transmisión, haciendo posible
la corrección de dichos errores.
Dominio del Tiempo
El tamaño de la FFT (Transformada Rápida de Fourier, del inglés Fast Fourier Transform)
en un diseño OFDM debe ser escogido cuidadosamente, como un balance entre la
protección contra multitrayecto, el efecto Doppler, y el costo/complejidad del diseño. Para
un ancho de banda dado, seleccionar un tamaño de FFT grande reduciría el espacio de la
subportadora y aumentaría el tiempo de símbolo. Esto hace más fácil la protección contra
la propagación del retardo de multitrayecto. Un reducido espaciado de la subportadora
hace al sistema más vulnerable a la interferencia entre portadoras a causa del
esparcimiento Doppler en aplicaciones móviles. Las influencias competitivas del retardo y
el esparcimiento Doppler en un diseño OFDM requieren un balanceo cuidadoso.[3]
Dominio de la Frecuencia
En el dominio de la frecuencia, cada símbolo OFDM se crea mediante el mapeo de la
secuencia de símbolos en las subportadoras; WiMAX tiene tres clases de subportadoras:
- Subportadoras de datos, donde se encuentran los símbolos de datos.
- Subportadoras piloto, donde se encuentran los símbolos piloto; los cuales se
conocen a priori y son utilizados en la estimación del canal y el seguimiento de los
canales.
- Subportadoras nulas, las cuales no tienen asignada potencia e incluyen la
subportadora DC (Componente de Directa) y la subportadoras de guarda hacia el
borde.
La subportadora de DC no se modula, para evitar algunos efectos de saturación o exceso
de potencia en el amplificador, y ninguna potencia es asignada a la subportadora de
guarda hacia el borde del espectro para que se ajuste el espectro del símbolo OFDM
dentro del ancho de banda asignado y por lo tanto reducir la interferencia entre los

19
canales adyacentes. La Figura 1.6 muestra una representación del dominio de frecuencia
típica de un estándar IEEE 802.16e-2005.
Figura 1.6 Representación de los símbolos OFDM en el dominio de la frecuencia.
OFDMA
La técnica de modulación OFDMA es una híbrida entre la OFDM y la TDMA (Acceso
Múltiple por División de Tiempo, del inglés Time Division Multiple Access).[4] La OFDMA
soporta acceso múltiple, lo cual permite a la estación móvil transmitir a través de uno o
varios subcanales que le hayan sido asignados. Con 2048 portadoras y 32 subcanales, si
un solo canal es asociado al cliente toda la potencia de transmisión se concentra en 1/32
partes del espectro disponible. Esto permite ganar alrededor de 15 dB sobre el sistema
OFDM. El acceso múltiple es especialmente ventajoso cuando se utilizan canales de gran
ancho de banda. En OFDMA, la subcanalización activa varios clientes para transmitir al
mismo tiempo sobre los subcanales asignados para cada uno de ellos.
OFDMA divide el espacio de la portadora en Ng grupos y cada uno de ellos tiene Ne
portadoras; cada una de las Ne portadoras pueden ser pilotos o de los subcanales y cada
subcanal contará con una portadora por grupo. En OFDMA con 2048 portadoras, por
ejemplo, se puede traducir en Ne=32 y Ng=48 en el canal DL (Enlace Descendente, del
inglés Downlink), y Ne=32 y Ng=53 en el UL (Enlace Ascendente, del inglés Uplink),
utilizando el resto de portadoras como bandas de guarda y portadoras pilotos. De este

20
modo, cada subcanal lleva asignado una modulación, un código y una amplitud diferente
dependiendo de las condiciones del canal radio en cada instante, permitiendo un uso
optimizado de la red, como se puede observar en la Figura 1.7.
Figura 1.7 Distribución de las portadoras en OFDMA.
Las ventajas de OFDMA con respecto a simple usuario OFDM son: la supresión robusta
del multitrayecto y la diversidad de frecuencia; además es una solución flexible de acceso
múltiple que puede adaptarse a muchos usuarios con aplicaciones, tipos de datos y
requisitos de calidad de servicio muy diversos. Otra ventaja significativa en relación a
OFDM es su potencial para reducir la potencia de transmisión y de relajar el problema de
PAPR (Razón Promedio Pico de Potencia).
1.4.2 Subcanalización
La subcanalización en el enlace ascendente es una opción dentro de WiMAX. Si se
prescinde de ella, las restricciones regulatorias y la necesidad de costo efectivo en el
equipo de abonado, típicamente causan que el presupuesto de enlace sea asimétrico,
provocando que el rango del sistema sea limitado en el enlace de subida.
La subcanalización permite que el presupuesto de enlace sea balanceado de forma tal
que las ganancias del sistema de enlace ascendente y descendente sean similares.

21
Además brinda la posibilidad de concentrar la potencia transmitida en algunas portadoras
OFDM, incrementando la ganancia del sistema, pudiendo esto ser usado tanto para
extender el alcance del mismo, superar las pérdidas de penetración de construcciones y/o
reducir el consumo de potencia del equipo abonado.
El uso de subcanalización está más expandido en el acceso OFDMA para permitir un uso
más flexible de los recursos que puedan soportar la operación móvil.
En OFDMA se pueden dividir las subportadoras disponibles en varios grupos llamados
subcanales. WiMAX fijo basado en una capa física OFDM solamente permite una forma
limitada de subcanalización en el enlace ascendente. El estándar define 16 subcanales,
donde se pueden asignar 1, 2, 4, 8, o todos los conjuntos a una estación de abonado en
el enlace ascendente.
La subcanalización del enlace ascendente en WiMAX fijo permite a las estaciones de
abonados transmitir utilizando solamente una fracción del ancho de banda que le asigna
la estación base (Ver Figura 1.8), lo que proporciona mejoras económicas en el enlace
que se pueden utilizar para aumentar el rendimiento y/o mejorar la duración de las
baterías de las estaciones de abonado. Un factor de subcanalización de 1/16 proporciona
una mejora de 12dB en el enlace.
Sin embargo, la versión móvil de WiMAX, cuya capa física está basada en OFDMA,
permite subcanalizar tanto en el enlace ascendente como en el enlace descendente, y
aquí los subcanales forman la unidad mínima de recursos de frecuencia asignados por la
estación base.
Por lo tanto, se pueden asignar subcanales diferentes a usuarios diferentes como un
mecanismo de acceso múltiple. Este tipo de esquema de multiacceso se llama acceso
múltiple por división de frecuencia ortogonal (OFDMA) que da nombre a la capa física
WiMAX móvil. Se pueden constituir subcanales utilizando subportadoras contiguas o
subportadoras distribuidas pseudo-aleatoriamente en el espectro de frecuencia. Los
subcanales formados utilizando subportadoras distribuidas proporcionan más diversidad
frecuencial, lo cual es especialmente útil para aplicaciones móviles.

22
Figura 1.8 Efecto de la Subcanalización.
Esquemas de Subcanalización basados en subportadoras distribuidas
WiMAX define varios esquemas de subcanalización basados en portadoras distribuidas
tanto en el enlace ascendente como en el enlace descendente. Uno de ellos llamado
PUSC (Uso Parcial de Subportadoras, del Inglés Paritally Used Sub-Carrier) es obligatorio
para todas las implementaciones móviles de WiMAX. Los perfiles iniciales de WiMAX
definen 15 subcanales para el enlace descendente y 17 para el enlace ascendente, para
operaciones con el esquema PUSC y 5 MHz de ancho de banda. Para operaciones de 10
MHz, se definen 30 y 35 canales respectivamente.
Esquemas de Subcanalización basados en subportadoras contiguas
El esquema de subcanalización WiMAX basado en subportadoras contiguas se llama
Banda AMC (Adaptación de Enlace o Codificación y Modulación Adaptativa, del inglés
Adaptive Modulation and Coding). Aunque se pierde la diversidad frecuencial, la banda
AMC permite diseñar el sistema para explotar la diversidad de usuarios, asignando los
subcanales a los usuarios basándose en su respuesta frecuencial. La diversidad de

23
multiusuarios puede proporcionar una ganancia significativa en toda la capacidad del
sistema, si el sistema procura proporcionar a cada usuario un subcanal que maximice su
SINR (Relación Señal a Interferencia más Ruido, del inglés Signal to Interference plus
Noise Ratio). En general, este tipo de subcanalización es más apropiado para
aplicaciones fijas o con poca movilidad.
1.4.3 Diversidad en la transmisión y en la recepción
Los esquemas de diversidad son usados para obtener una ventaja del multipath4
y las
reflexiones de la señal que ocurren en condiciones de NLOS. La diversidad es una
característica opcional en WiMAX. Los algoritmos de diversidad ofrecidos por WiMAX,
tanto en transmisión como en recepción incrementan la disponibilidad del sistema. La
opción de transmisión en diversidad en WiMAX utiliza la codificación en espacios de
tiempo para proporcionar una fuente de transmisión independiente, esto reduce el fading5
y combate la interferencia. Para la diversidad en recepción, varias técnicas se combinan
para mejorar la disponibilidad del sistema.[5]
1.4.4 Modulación Adaptativa
Las técnicas de modulación adaptativa de los sistemas WiMAX, permiten ajustar el
esquema de modulación de la señal dependiendo de las condiciones de la SNR (Relación
Señal a Ruido, del inglés Signal to Noise Ratio) que existen en el enlace radio. Cuando el
enlace radio presenta una alta calidad, la más alta modulación es usada, dando al sistema
la mayor capacidad, además que los ubicados a distancias menores, puedan utilizar una
modulación más eficiente, y los más lejanos, una menos eficiente pero más robusta; con
el fin de evitar una excesiva pérdida de paquetes. Durante un desvanecimiento de la
señal, el sistema WiMAX puede desplazar a la señal a un esquema de modulación menor
para mantener la calidad y estabilidad del enlace. Esta característica permite al sistema
superar los desvanecimientos selectivos en el tiempo.
4
Propagación de una onda por varios caminos diferentes.
5
Desviación de la atenuación que afecta a una señal a través de diferentes medios de propagación.

24
Figura 1.9 Modulación Adaptativa.
Como se observa en la Figura 1.9 para localizaciones cercanas a la estación base, se
emplea una modulación de mayor calidad (SNR es mayor), como es el caso de la
modulación 64 QAM; sin embargo a medida que el receptor se aleja de la estación base la
calidad de la señal se va deteriorando, por lo que se opta por utilizar una modulación más
robusta pero menos potente, como es la modulación BPSK (Modulación por
Desplazamiento de Fase Binario, del inglés Phase Shift Keying).
.
1.4.5 Técnicas de corrección de errores
Las técnicas de corrección de errores han sido incorporadas a WiMAX para reducir los
requerimientos de SNR. El FEC (Corrección de Errores hacia Adelante, del inglés Forward
Error Correction) es realizado mediante un codificador RS (Reed Solomon), además se
realiza una codificación convolutiva y otros algoritmos que son usados para detectar y
corregir errores, mejorando el throughput6
. Estas técnicas de corrección ayudan a
recuperar tramas erróneas que pueden haber sido perdidas por desvanecimientos
selectivos de frecuencia o ráfagas de errores.
6
Volumen de trabajo o de información que fluye a través de un sistema de comunicaciones, es medido en
unidades como accesos por hora.

25
El ARQ (Solicitud de Repetición Automática, del inglés Automatic Repeat-reQuest) es
usado para corregir errores que no pueden ser corregidos por el FEC, además cuando el
receptor detecta un error solicita al emisor la repetición del bloque de datos transmitido.
Esto mejora significativamente el VER (Tasa de Bit Erróneo, del inglés Bit Error Rate)
para similares niveles umbrales. El emisor retransmitirá los datos tantas veces como sea
necesario hasta que los datos se reciban sin errores.
1.4.6 Control de Potencia
El control de potencia es otro mecanismo clave en los sistemas PMP (Punto a Multipunto,
del inglés Point to Multipoint), ofreciendo un mejor control de las interferencias y el ruido, y
permitiendo que la capacidad del sistema sea mayor.
Los algoritmos de control de potencia son usados para mejorar el rendimiento del sistema,
estos son implementados por la estación base, la cual manda información sobre el control
de potencia a cada CPE para que regule su nivel de potencia de transmisión, de forma
que el nivel recibido en la estación base sea un nivel predeterminado. En ambientes con
cambios dinámicos por fading este nivel predeterminado significa que el CPE sólo puede
transmitir suficiente potencia para llegar a este requerimiento. Lo opuesto sería que el
CPE transmitiese el nivel basándose en las condiciones peores. El control de potencia
reduce sobre todo el consumo de potencia del CPE y la potencial interferencia con otras
estaciones bases localizadas. Para LOS la potencia transmitida por el CPE es
aproximadamente proporcional a la distancia a la estación base. Para NLOS depende
además de las condiciones del camino y los obstáculos.[5]
1.4.7 Adaptative Array System (AAS)[6]
Los sistemas AAS (Sistemas Adaptativos de Antenas, del inglés Adaptative Array System)
son una parte opcional del estándar 802.16. Estos sistemas representan la más avanzada
tecnología de antenas inteligentes (Smart Antenna) y tienen propiedades de

26
beamforming7
que permiten conducir el haz principal de la antena hacia una determinada
localización. Esto significa que mientras están transmitiendo, la señal puede ser limitada a
la dirección requerida por el receptor. Estos sistemas también tienen propiedades de
supresión de la interferencia co-canal desde otras localizaciones, con lo cual consiguen
además mejorar la relación SNR.
El uso de estas antenas va ligado normalmente al empleo de la tecnología MIMO (Múltiple
Entrada Múltiple Salida, del inglés Multiple-Input Multiple-Output). Esta tecnología
presenta una serie de ventajas en el procesado de diferentes señales espaciales. La
principal es la diversidad de las antenas y el multiplexado espacial. Al usar varias antenas,
MIMO ofrece la capacidad de recibir datos coherentemente desde varios caminos o rutas
(multipath), mediante antenas receptoras separadas espacialmente, esta información es
procesada gracias al uso de DSP (Procesamiento Digital de Señales, del inglés Digital
Signal Processing) con elevadas capacidades de procesamiento.
En el DL cuando múltiples señales son radiadas desde un arreglo de antenas, de tal
forma que ellas forman un haz que va dirigido hacia el CPE, la amplitud y la fase de las
señales de cada antena es ajustada de forma que se combinan coherentemente en el
CPE. Esta tecnología adaptativa de beamforming mejora la SNR.
En el UL, el CPE mandará la señal a la BTS, se producirá un procesamiento espacio-
tiempo donde la BTS ajustará la ganancia y fase de cada antena para cuando la señal del
CPE sea recibida. Así la combinación coherente y la supresión de la interferencia se
llevan a cabo, ya que la señal deseada se combina coherentemente y el ruido es
combinado incoherentemente, produciendo por lo tanto una mejora de la SNR.
Además otra de las ventajas que añaden este tipo de sistema, es que gracias a no
necesitar emplazamientos relativamente altos para conseguir la cobertura adecuada, se
evita el "bombardear" a los sistemas adyacentes con lo cual se mejora el factor de rehúso
de frecuencia, o lo que es lo mismo se consigue aumentar la capacidad de la red.
7
Conformación de haces, es una forma espacial de filtrado y es usada para distinguir entre las propiedades
espaciales de una señal objetivo y el ruido de fondo.

27
1.5 Estructura por capas de WiMAX
Las especificaciones del estándar 802 del IEEE se centran en las dos capas más bajas
del modelo OSI (Modelo de Interconexión de Sistemas Abiertos, del inglés Open System
Interconnection) porque estos incorporan especificaciones tanto físicos como de
interconexión de datos e información. Todas las redes 802 tienen componentes de las
capas PHY (nivel físico) y MAC (nivel de enlace). Donde MAC son el conjunto de normas
para determinar cómo se accede al medio, y los detalles de transmisión y recepción se
tratan en la capa PHY. En la Figura 1.10 se muestra la pila de protocolos del estándar
802.16, en comparación con el modelo OSI.
Figura 1.10 Estructura por capas de WiMAX.
Las capas y subcapas que se definen en el protocolo son:
 Subcapa de convergencia (CS): Es la interfaz entre la capa MAC y la capa de Red,
recibe paquetes de datos desde la capa superior. Esta capa puede comunicarse
con variados protocolos de capas superiores mediante el CS SAP, como ATM
(Modo de Transferencia Asíncrona, del inglés Asynchronous Transfer Mode),
Ethernet e IP (Protocolo de Internet, del inglés Internet Protocol). El CS es
responsable de realizar todas las operaciones que dependen de la naturaleza del

28
protocolo de capa superior, como la compresión de cabecera y la asignación de
direcciones.
 Subcapa parte común MAC (MAC CPS): Realiza todas las operaciones
independientes a los paquetes de las capas superiores, tales como la
fragmentación y la concatenación de SDU (Unidad de Datos de Servicio, del inglés
Service Data Unit) en MAC PDU (Unidad de Datos de Protocolo MAC, del inglés
MAC Protocol Data Unit), transmisión de MAC PDU, control de calidad de servicio,
y el ARQ; por lo que constituye el núcleo de la capa MAC. Contiene todas las
funciones necesarias para realizar el intercambio de datos y el control de la capa
MAC. Provee los servicios de acceso al sistema, asignación de ancho de banda,
establecimiento y mantenimiento de la conexión y se establecen las unidades de
datos de protocolo o PDU (Unidades de Datos de Protocolo, del inglés Protocol
Data Unit). Está conectada a la subcapa CS mediante el MAC SAP.
 Subcapa de seguridad o privada: Es la responsable de la encriptación,
autorización y adecuado intercambio de claves de cifrado entre la BS y MS
(Estación Móvil, del inglés Mobil Station). Permite proveer a los usuarios un
servicio de banda ancha seguro a través de su conexión fija mediante el cifrado de
las conexiones, y al operador protegerse contra las conexiones no autorizadas
forzando el cifrado. Está conectada a la capa PHY mediante el PHY SAP.
 Capa física (PHY): Especifica las características de los diferentes modos de
operación de la interface aire: WirelessMAN-SC, WirelessMAN-SCa,
WirelessMAN-OFDM, WirelessMAN-OFDMA y WirelessHUMAN (Wireless High-
speed Unlicensed Metropolitan Area Networks).
1.5.1 Capa MAC
La capa MAC en el modelo de referencia se encuentra encima de la capa física. Es
responsable de controlar y multiplexar varios enlaces sobre el mismo medio físico; al igual
que la capa PHY, no es consciente de la QoS necesaria y de la naturaleza de la
aplicación dígase VoIP, HTTP (Protocolo de Transferencia de Hipertexto, del inglés
Hypertext Transfer Protocol) o FTP (Protocolo de Transferencia de Archivos, del inglés
File Transfer Protocol). Dentro de sus funciones más importantes están:

29
 Segmentar o concatenar las SDUs recibidas de las capas superiores en Unidad de
Datos de Protocolo (MAC PDU), que representa el bloque básico de carga útil de
la capa MAC.
 Seleccionar el apropiado perfil de ráfaga y nivel de potencia a usar para la
transmisión de las MAC PDUs.
 Retransmisión de las MAC PDUs que fueron recibidas de forma errónea por el
receptor cuando es usada la ARQ.
 Garantizar el control de QoS y brindarles prioridad a las MAC PDUs
pertenecientes a diferentes datos y portadora de señalización.
 Planificación de las MAC PDUs sobre los recursos de la capa física.
 Proporcionar apoyo a las capas superiores en la gestión de movilidad.
 Proveer seguridad y gestión de claves de acceso.
 Proporcionar opciones de ahorro de energía y funcionamiento en modo inactivo.
La capa MAC de WiMAX tiene como objetivo proporcionar una interfaz entre las capas de
transporte superiores y la capa física en el modelo OSI. La misma coge los paquetes de
las capas superiores, estos paquetes se llaman MSDU (Unidad de Datos de Servicio
MAC, del inglés MAC Service Data Unit) y los agrupa en MAC PDU para la transmisión
vía radio. La capa MAC en recepción realiza el proceso inverso. Está diseñada para
soportar altas velocidades de bit, además de proporcionar calidad de servicio similar a la
tecnología ATM. Por otro lado, utiliza MAC PDU de longitud variable y ofrecen mucha
flexibilidad para permitir una transmisión eficiente.
1.6 Principales Características
WiMAX es una tecnología para la comunicación inalámbrica de banda ancha, que ofrece
un amplio conjunto de características con una gran flexibilidad en términos de opciones de
despliegue y oferta de servicios. Algunas de las características más importantes que se
destacan son las siguientes:
 Capa PHY basada en OFDM: La capa PHY de WiMAX está basada en
multiplexación por división ortogonal de frecuencias, un esquema que ofrece

30
buena resistencia a las multitrayectorias e interferencia inter-símbolo y permite a
WiMAX operar en condiciones NLOS.
 Altas tasas de velocidad para la transmisión de datos: WiMAX es capaz de
soportar altas tasas de datos. Por ejemplo, la tasa de datos en capa PHY puede
alcanzar valores de hasta 74 Mbps, cuando se opera usando un ancho de
frecuencia de 20 MHz. Cuando se usa un espectro de operación de 10 MHz, un
esquema TDD con una proporción 3:1 en los canales DL y UL respectivamente, la
tasa de datos en capa PHY es aproximadamente 25 Mbps para el enlace
descendente y 6.7 Mbps para el enlace ascendente. Bajo muy buenas condiciones
de señal, tasas más altas se pueden conseguir usando múltiples antenas y
multiplexación espacial.
 Ancho de banda escalable y soporte de velocidad de transmisión de datos: WiMAX
tiene una arquitectura de la capa física, que permite escalar fácilmente la
velocidad de transmisión de datos con un ancho de banda de canal disponible.
Esta escalabilidad es soportada en modo OFDMA, cuando el tamaño de la FFT
puede ser escalado basado en el ancho de banda de canal disponible. Por
ejemplo, un sistema WiMAX puede utilizar una FFT de 128, 512 o 1048 bits sobre
la base de si el ancho de banda de canal es de 1.25, 5 o 10 MHz,
respectivamente. Este escalabilidad puede hacerse dinámicamente para soportar
el roaming8
a través de las diferentes redes que pueden tener diferentes
asignaciones de ancho de banda.
 Modulación y Codificación Adaptativa (AMC): WiMAX soporta varios esquemas de
modulación y de codificación de corrección de error hacia delante y permite que el
diseño sea cambiado por un usuario y por tramas base, basado en las condiciones
del canal. Éste mecanismo es eficaz para maximizar el rendimiento en un canal
variable en el tiempo. El algoritmo de adaptación generalmente requiere el uso del
más alto diseño de modulación y codificación que puede ser soportado por la
relación señal ruido y el índice de interferencia en el receptor. De esta forma cada
8
Capacidad de un dispositivo para moverse de una zona de cobertura a otra.

31
usuario se beneficia de la más alta velocidad de transmisión de datos que pueden
ser soportados en sus respectivos enlaces.
 Retransmisiones en la capa de enlace: Para conexiones que requieren una mejor
confiabilidad, WiMAX soporta solicitud automática de retransmisiones en la capa
de enlace. ARQ permite conexiones que requieren que cada paquete transmitido
sea reconocido por el receptor, los paquetes desconocidos son asumidos como
paquetes perdidos y son automáticamente retransmitidos. WiMAX también soporta
opcionalmente H-ARQ (Solicitud de Repetición Automática Híbrida, del inglés
Hybrid Automatic Repeat-reQuest), que es un efectivo híbrido entre FEC y ARQ.
 Soporte para TDD y FDD: Los estándares IEEE 802.16-2004 y IEEE 802.16e-2005
soportan TDD y FDD, así como también semidúplex FDD, el cual permite la
implementación de sistemas de bajo costo. TDD es favorecido por una mayoría de
implementaciones, debido a que tiene como ventajas:
- Flexibilidad para elegir proporciones de tasas de datos para los canales UL
y DL.
- Habilidad para explotar la conectividad del canal.
- Habilidad para implementar un espectro disparejo.
- Menor complejidad en el diseño del transmisor-receptor.
Todos los perfiles WiMAX iniciales están basados en TDD, excepto por dos
perfiles WiMAX fijo en 3.5GHz.
 Acceso múltiple por división ortogonal de frecuencias (OFDMA): WiMAX móvil usa
OFDMA como una técnica de múltiple acceso, donde diferentes usuarios pueden
ser asignados a diferentes subconjuntos de tonos o portadoras OFDM. OFDMA
facilita la explotación de la diversidad de frecuencia y de multiusuario para mejorar
significativamente la capacidad del sistema.
 Asignación de recursos flexible y dinámica por usuario: La asignación de recursos
de los enlaces ascendente y descendente es controlada por un programa en la
estación base. La capacidad del sistema es compartida entre los múltiples

32
usuarios usando un esquema TDM de ráfaga. Cuando se emplea el modo OFDMA
en la capa física, la multiplexación se realiza adicionalmente en la dimensión de la
frecuencia, para asignar diferentes subconjuntos de subportadoras OFDM a
diferentes usuarios. Los recursos también pueden ser asignados en el dominio
espacial, usando opcionalmente un sistema avanzado de antenas adaptativas. El
estándar permite un ancho de banda de los recursos que se asignarán en el
tiempo, en la frecuencia y en el espacio y cuenta con un mecanismo flexible para
transmitir la información de asignación de recursos en una base trama por trama.
 Soporte para técnicas avanzadas de antenas: Este esquema puede ser usado
para mejorar la completa capacidad del sistema y la eficiencia espectral mediante
el despliegue de múltiples antenas en el transmisor y/o en el receptor.
 Soporte de Calidad de Servicio (QoS): La capa MAC de WiMAX tiene una
arquitectura orientada a conexión que está diseñada para soportar una variedad
de aplicaciones, incluyendo los servicios de voz y multimedia. El sistema ofrece
soporte a velocidades de bits constantes, velocidades de bits variables, tiempo real
y flujos de tráfico que no son en tiempo real, además de un mejor logro del tráfico
de datos. La capa MAC de WiMAX está diseñada para soportar un gran número de
usuarios con múltiples conexiones por terminal, cada una con su propio requisito
de calidad de servicio.
 Sólida Seguridad: WiMAX soporta una fuerte encriptación, usando un estándar
AES (Estándar de Encriptación Avanzada, del inglés Advanced Encryption
Standard). Este tiene una privacidad robusta y un protocolo de gestión de claves.
El sistema también ofrece una arquitectura de autentificación muy flexible, basada
en EAP (Protocolo de Autentificación Extensible, del inglés Extensible
Authentication Protocol). El cual permite una variedad de credenciales de usuario,
incluyendo nombres de usuario, contraseñas, certificados digitales y tarjetas
inteligentes.

33
 Soporte para movilidad: La variante móvil del sistema WiMAX, tiene mecanismos
que soportan handovers9
perfectos y seguros, para aplicaciones de completa
movilidad y tolerantes a retardos, como VoIP. El sistema también tiene soporte
para mecanismos de ahorro de energía, que extienden la vida de la batería o de
los dispositivos suscriptores portátiles. Mejoras en la capa física, como una
estimación del canal más frecuente, subcanalización del enlace ascendente y
control de potencia, también son especificados en el soporte para las aplicaciones
móviles.
 Arquitectura basada en IP: El foro WiMAX ha definido una referencia de
arquitectura de red, basada completamente en una plataforma IP. Todos los
servicios punto a punto son entregados sobre una arquitectura IP, dependiendo de
los protocolos basados en IP para el transporte punto a punto, QoS, gestión de
sesión, seguridad y movilidad. Esto facilita la convergencia con otras redes y
explota el rico ecosistema para el desarrollo de aplicaciones basadas en IP.
1.7 Funcionamiento de WiMAX
El sistema WiMAX opera coordinando el acceso al canal de radio y enviando paquetes de
datos entre la estación base y el subscriptor. La operación básica involucra adquisición de
canal, alcance inicial, control de acceso al medio y control de enlace de radio.[7]
Adquisición de canal
Es el proceso de encontrar y adquirir acceso a un canal de comunicación. Cuando el
dispositivo WiMAX se enciende, este comienza un proceso de escaneo de canal, el cual,
es el proceso de buscar a través de varios canales de radio señales que indiquen que un
canal está disponible para comunicar.
9
Sistema utilizado en comunicaciones móviles celulares con el objetivo de transferir el servicio de una
estación base a otra cuando la calidad del enlace es insuficiente en una de las estaciones.

34
Típicamente se tiene una lista almacenada de canales de frecuencia con lo que se reduce
el tiempo de escaneo, estas frecuencias pueden ser pre-programadas por el operador del
sistema WiMAX, por lo que este tratara al inicio de conectarse a un sistema WiMAX
especifico.
Cuando se encuentra uno o varios canales de radio, se procede a decodificar el canal y
buscar paquetes de datos cuyo encabezado de control de trama tenga el mensaje
descriptor de canal de enlace descendente y el mensaje descriptor de canal de enlace
ascendente.
El mensaje DCD contiene parámetros que son necesarios o que darán asistencia al
dispositivo al receptar información del canal de enlace descendente en el sistema de
comunicaciones y el mensaje UCD provee al dispositivo con los parámetros que son
necesarios para acceder al sistema de comunicaciones.[7]
Alcance Inicial
Es el proceso de estimar la distancia o tiempo de propagación entre el transmisor y el
receptor, la información de alcance puede ser usada para asistir en el establecimiento de
los parámetros de operación para el transmisor y el receptor como el nivel de potencia del
transmisor y la latencia de los paquetes de transmisión para asegurar que los paquetes no
se solapen con la transmisión de otros dispositivos.
Durante este alcance, la estación base asigna el CID (Identificador de Conexión) básico
que se usará para controlar las operaciones de radio del dispositivo subscriptor, después
de que el CID básico es asignado, un CID de gestión primaria puede ser asignado para
permitir la autenticación y el establecimiento de otros canales CID. Un CID secundario
puede ser asignado para permitir la transferencia de los archivos de configuración y la
asignación de una dirección usando DHCP (Protocolo de Configuración Dinámica de
Host, del inglés Dynamic Host Configuration Protocol).
En la Figura 1.11 se observa el proceso de adquisición de canal, se muestra que primero
el subscriptor escanea un conjunto de frecuencias WiMAX, si este encuentra un canal de

35
radio WiMAX, se sincroniza con el canal RF (Radiofrecuencia) y adquiere los mensajes
DCD y el UCD para determinar cómo acceder al sistema.[7]
Figura 1.11 Proceso de adquisición del canal.
La estación subscriptora entonces envía mensajes de petición de alcance inicial para
obtener la atención del sistema y recibir información de ajuste de sincronización. Este
proceso comienza con transmitir a un nivel bajo de potencia y lo va incrementando hasta
que el sistema responda con una asignación de identificadores de control CID. La
estación subscriptora entonces envía sus capacidades de transmisión a la estación base y
el sistema WiMAX responde con una autorización o denegación del servicio de estas.[7]
Control de acceso al medio
El control de acceso al medio es el proceso usado por dispositivos de comunicación para
ganar acceso a un medio de comunicaciones o canal. Los métodos para controlar el
acceso a los sistemas WiMAX pueden ser asignados (basados en no contienda) o
aleatorios (basados en contienda).

36
Cuando los sistemas WiMAX usan control de acceso libre de contienda, el subscriptor
necesita esperar por mensajes de sondeo antes de responder. Si el control de acceso
basado en contienda es usado (como el servicio del mejor esfuerzo), el dispositivo del
suscriptor debe competir por el acceso para enviar paquetes. Los sistemas WiMAX
pueden mezclar el acceso basado en contienda y el libre de contienda en el mismo canal
de radio.
El acceso libre de contienda es provisto mediante periodos de tiempo que los dispositivos
específicos deben usar cuando se comunican con el sistema. Debido a que todos los
dispositivos que escuchan el canal de radio WiMAX pueden oír estos mensajes, estos
dispositivos no transmitirán durante los períodos de tiempo asignados.
El acceso basado en contienda es provisto a través del uso de ranuras de contienda y el
CSMA (Acceso Múltiple por Detección de Portadora, del inglés Carrier Sense Multiple
Access). Los descriptores del canal WiMAX definen periodos de tiempo específicos
(ranuras de contienda) que los que usan el método basado en contienda, deben usar
cuando accedan al sistema WiMAX.[7]
Las ranuras de contienda son ranuras de tiempo en una canal de comunicación que
pueden ser usadas para permitir que los dispositivos aleatoriamente pidan servicio desde
el sistema.
Cuando las estaciones basadas en contienda accedan al sistema, estos primero obtienen
el intervalo de ranura de contienda y los parámetros de acceso al sistema como el nivel
de potencia de transmisión de acceso inicial. Después de que el periodo de ranura de
contienda ha iniciado, el subscriptor comienza a transmitir un mensaje de acceso a un
nivel de baja potencia RF.
Si el subscriptor escucha una respuesta positiva a su mensaje de petición de acceso, este
puede transmitir sus paquetes, si no escucha una respuesta (podría ser que otro
dispositivo ha transmitido al mismo tiempo), este debe parar de transmitir y esperar un
tiempo aleatorio antes de intentar acceder al sistema otra vez.
Cada vez que los dispositivos intentan acceder al sistema y falla, este debe esperar un
tiempo más largo antes de acceder al sistema otra vez. Esto previene de la posibilidad de

37
varias colisiones entre dispositivos que están intentando acceder al sistema al mismo
tiempo aproximadamente.
El canal DL contiene mensajes de descriptores de UL y DL que definen cuando los
subscriptores tienen permiso para transmitir. En la Figura 1.12 se muestran estos
procesos.
Figura 1.12 Control de acceso al medio.
A los dispositivos de sondeo unicast10
, se les asignan periodos de tiempo específicos para
transmitir desde un mensaje de sondeo. En cambio, los dispositivos con sondeo
multicast11
, broadcast12
o mejor esfuerzo (basados en contienda), deben competir durante
los períodos de ranura de contienda.[7]
10
Envío de información desde un único emisor a un único receptor.
11
Envío de la información en múltiples redes a múltiples destinos simultáneamente.
12
Radiado o difusión, donde los destinatarios son todas las estaciones en la red.

38
Control de enlace de radio RLC
El protocolo de control de enlace de radio es usado para coordinar el flujo total de
paquetes de datos a través del enlace de radio. RLC usa detección de errores y
retransmisión de datos para incrementar la fiabilidad de un enlace de radio mientras se
reduce la tasa de errores. Las funciones del control de enlace de radio WiMAX incluyen
control de nivel de potencia, registro periódico, cambios en el perfil de ráfaga y peticiones
de ancho de banda.
El control de potencia es el proceso de ajustar el nivel de potencia en un sistema
inalámbrico donde la estación base monitorea la intensidad de la señal recibida de las
radios. Los mensajes de control son transmitidos desde la estación base hacia el
subscriptor para elevar y bajar el nivel de potencia cuando sea necesario y así mantener
un buen enlace de radio.
El alcance puede ser necesario realizarlo después de que el subscriptor ha estado
inactivo durante un tiempo. Un temporizador que continuamente se está reseteando
cuando el subscriptor se comunica con el sistema ayuda a determinarlo. Si el subscriptor
no se ha comunicado con el sistema durante un tiempo, el temporizador no será
reseteado y este expirará. Si el temporizador expira, el subscriptor debe realizar otra vez
el alcance con el sistema.
La estación base es responsable de asignar los perfiles de ráfaga, sin embargo, el
subscriptor puede pedir cambios a este perfil. Esto ocurre como resultado de un
incremento en la tasa de errores de bit de la señal recibida debido a la interferencia o al
desvanecimiento. El subscriptor puede pedir cambios en el perfil como que sea más
robusto o que ofrezca mayores tasa de transmisión. La estación puede otorgar la petición,
negociar los parámetros o rechazar la petición.
Durante una sesión de comunicación WiMAX, se puede pedir un cambio en el ancho de
banda. La estación subscriptora puede enviar mensajes de peticiones de ancho de banda
a la estación base para incrementar o decrementar su asignación de esta. Los mensajes
de peticiones de ancho de banda pueden ser enviados como mensajes independientes o
pueden ser concatenados con otros mensajes.[7]

39
1.8 Funciones de Seguridad
Los sistemas de comunicación inalámbricos son muy sensibles en cuanto a la seguridad.
El simple hecho de que las conexiones sean establecidas en un medio inalámbrico, trae
como consecuencia el acceso rápido de intrusos a la red además de que muchos
usuarios conservadores no lo consideran una vía segura para transmitir sus datos. Los
desafíos que enfrenta la seguridad en un red inalámbrica son la privacidad, la integridad
de los datos, el uso no autorizado de los servicios de la red y la negación de servicio
frente a ataques de usuarios malignos que intentan disminuir el rendimiento de la red, a
partir del secuestro aéreo de la sesión y la inserción de virus. La encriptación de los datos,
la autentificación fuerte, el control de acceso en varios niveles de la red como la capa
física, la capa de red y la capa de servicio, son desarrollados para mantener el nivel de
seguridad necesario en una comunicación inalámbrica.
A diferencia de WiFi, los sistemas WiMAX fueron diseñados desde sus inicios con una
robusta seguridad. El estándar incluye los métodos de tecnología avanzada para
garantizar la privacidad de los datos del usuario y prevenir el acceso no autorizado, con
optimización adicional de protocolo para la movilidad. La seguridad es manejada por una
subcapa privada dentro de la MAC de WiMAX.
Los aspectos claves de la seguridad WiMAX son los siguientes:
 Soporte de la privacidad: La información del usuario es encriptada usando
esquemas criptográficos, con los cuales la privacidad está asegurada. Existen
diferentes estándares soportados por WiMAX, entre los que se encuentran: AES y
3DES (Triple Data Encryption Standard). AES es el más usado por su fácil
implementación y por ser el nuevo estándar de encriptación aprobado por la FIPS
(Estándares Federales de Procesamiento de la Información Federal, del inglés
Information Processing Standards).
 Autenticación de dispositivo/usuario: WiMAX provee un medio flexible para la
autenticación de los usuarios y de las estaciones suscriptoras, para prevenir el uso
desautorizado.
 Flexible protocolo de gestión de clave: El protocolo usado para gestionar las
claves es el llamado PKMv2 (Privacy and Key Management Protocol Versión 2).

40
Este garantiza la seguridad en la transferencia de claves de la estación móvil a la
estación base, reautorizando y cambiando las claves periódicamente.
 Protección de mensajes de control: La integridad de los mensajes de control que
van por el aire está garantizada usando un compendio de esquemas de mensajes
tales como: AES basado en CMAC (Cipher-based Message Authentication Code)
o MD5 (Algoritmo de Resumen del Mensaje 5, del inglés Message-Digest
Algorithm 5) basado en HMAC (Hash-base Message Authentication Codes).
 Soporte para rápido handover: Para soportar el rápido handover, WiMAX le
permite a la estación móvil usar una pre-autenticación con una estación base
designada para facilitar la reentrada del mismo.[3]
1.9 Calidad de Servicio
El estándar IEEE 802.16 especifica que la QoS se debe proporcionar para el tráfico en
ambos canales (uplink y downlink), considerando los diferentes protocolos de capa
superior entre la SS y la BS.
El soporte de QoS es una parte fundamental del diseño de la capa MAC de WiMAX, que
se logra usando una arquitectura MAC orientada a conexión, donde todas las conexiones
de subida y bajada son controladas por la BS que presta servicios. Antes de ocurrir
cualquier transmisión de datos, la BS y la MS establecen un enlace lógico unidireccional,
llamado conexión, entre ambas capas MAC. Cada conexión es identificada por un CID,
que sirve como una dirección temporal para transmisiones de datos sobre el enlace
particular.
El principal propósito de las características de QoS, es definir un orden de transmisión y
programación de paquetes en la interface de aire. Sin embargo, estas características
necesitan trabajar en conjunción con mecanismos más allá de la interface de aire, con el
propósito de proporcionar QoS punto a punto.
WiMAX también define el concepto de flujo de servicio. Un flujo de servicio es un
transporte unidireccional de paquetes en capa MAC, ya sea en el canal uplink (para los
paquetes transmitidos por la SS) o en el canal downlink (para los paquetes transmitidos

41
por la BS). Los flujos de servicio están caracterizados por un conjunto particular de
parámetros de QoS, tales como latencia, jitter13
, paquetes perdidos y throughput
garantizado, que son identificados por un SFID (Identificador de Conexión). La BS es
responsable de publicar el SFID y trazar un mapa de este para los identificadores de
conexión.
Muchos proveedores de WIMAX ofrecen sus productos con muy baja latencia, con valores
que se encuentran en el orden de los 10 ms desde la estación base hasta el CPE. La
latencia es medida de extremo-extremo. La VoIP es muy susceptible a la latencia de
manera que si esta excede los 150 ms la conversación comienza a degradarse y por
encima de 200 ms la conversación puede llegar a no entenderse, los correos electrónicos
no sufren ni con grandes latencias.
1.10 Servicios Soportados
Para soportar una amplia variedad de aplicaciones, WiMAX define cinco servicios de
planificación para el transporte de datos sobre una conexión:
Servicios garantizados no solicitados (UGS): Diseñado para soportar paquetes de datos
de tamaño fijo con velocidad de bits constante. Los ejemplos de aplicaciones que puede
usar este servicio son emulación T1/E1 y VoIP sin supresión de silencio. Los parámetros
obligatorios de flujo de servicio que definen este servicio son la velocidad de tráfico
máxima sostenida, latencia máxima, jitter tolerado, y política de solicitud/transmisión.
Servicios de encuesta en tiempo real (RTPS): Soporta flujos de servicio en tiempo real,
tales como video MPEG, que generan paquetes de datos de tamaño variable en una base
periódica. Está definido por parámetros obligatorios de flujo de servicio como la velocidad
de tráfico mínima reservada, velocidad de tráfico máxima sostenida, latencia máxima, y
política de solicitud/transmisión.
Servicio de encuesta en tiempo no real (NRTPS): Es diseñado para soportar flujos de
datos tolerantes al retardo, tales como los servicios FTP, que requiere concesiones de
13
Variabilidad temporal durante el envío de señales digitales, una ligera desviación de la exactitud de la
señal de reloj.

42
datos de tamaño variable con un mínimo de velocidad garantizada. Los parámetros
obligatorios de flujo de servicio para definir este servicio son velocidad de tráfico mínima
reservada, velocidad de tráfico máxima sostenida, prioridad de tráfico, y política de
solicitud/transmisión.
Servicio de mejor esfuerzo (ES): Es diseñado para soportar flujos de datos, tales como
búsquedas Web, que no requieren un nivel de servicio mínimo garantizado. Los
parámetros de flujo de servicio obligatorio para definir este servicio son la velocidad de
tráfico máxima sostenida, prioridad de tráfico, y política de solicitud/transmisión.
Servicio de tasa variable en tiempo real extendido: Soporta aplicaciones en tiempo real,
semejantes a VoIP con supresión de silencio, que tiene velocidades de datos variables
pero requieren velocidades de datos y demoras garantizadas. Este servicio está definido
sólo en IEEE 802.16e-2005, no en IEEE 802.16-2004. También es llamado servicio de
encuesta en tiempo real extendido. Los parámetros de flujo de servicio obligatorio de este
servicio son: velocidad mínima reservada, velocidad máxima sostenida, tolerancia de
latencia máxima, tolerancia del jitter y prioridad de tráfico.[8]
1.11 Ventajas de WiMAX para el mundo inalámbrico
 WiMAX proporciona a los proveedores de banda ancha la capacidad de servir a
clientes cuya conexión quedaba limitada al módem de 56K.
 Permite el acceso a lugares esparcidos en una red MAN (Red de Área
Metropolitana, del inglés Metropolitan Area Network), sin la necesidad de lanzar
cable o pagar líneas T1/E1.
 Su gran ancho de banda, hace posible que una sola estación base pueda admitir
simultáneamente cientos de conexiones tipo DSL.
 Podría llegar hasta los 70Mbps.

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