La comunicación inalámbrica ha experimentado una transformación sin precedentes en la última década, impulsada por la omnipresente implementación de la tecnología Wi-Fi en puntos de acceso públicos y privados. Sin embargo, la búsqueda de soluciones de conectividad de alta velocidad y amplia cobertura ha llevado al desarrollo y perfeccionamiento de estándares como WiMAX, que prometen superar las limitaciones de sus predecesores. Este artículo explora el estado del arte de estas tecnologías, profundizando en sus características, evolución y aplicaciones, con un enfoque particular en el estándar IEEE 802.16e y su impacto en la conectividad móvil y fija.
La Revolución Wi-Fi: De Hogares a Hotspots
La gran revolución de la comunicación sin hilos en la última década ha sido la implementación de la Wi-Fi en los llamados «puntos calientes» (hot spots) tanto en nuestros hogares, como en aeropuertos, hoteles y restaurantes. Con una cobertura entre 10 y 50 metros, dependiendo de los obstáculos y de la calidad de la señal requerida, un módem Wi-Fi puede servir para todos los usuarios de un pequeño bloque. Áreas mayores requieren el uso de varias estaciones.
La especificación original de la Wi-Fi se remonta a 1990 en el proyecto 802.11 de la IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Desde entonces, la especificación de la Wi-Fi ha mejorado mucho conforme se han obtenido tanto avances teóricos como prácticos. El primer estándar 802.11, publicado en 1997, soportaba transmisión de datos a 1 y 2 Mb/s. La aceptación internacional del estándar se facilitó con su uso a nivel mundial en la banda de 2.4 gigahercios (GHz), de uso gratuito prácticamente en todo el mundo. Originalmente, los emisores eran muy caros y los dispositivos de diferentes fabricantes se comunicaban bastante mal entre sí.
Un año clave para la evolución del 802.11 fue 1999. Primero, apareció 802.11b, que permitía transmisión a 5.5 y 11 Mb/s. Segundo, varios fabricantes se unieron en la asociación Wi-Fi Alliance con objeto de certificar y testear la compatibilidad e interoperabilidad de sus productos. Abanderar un logo Wi-Fi garantiza desde entonces que el producto puede comunicarse con otros productos también certificados, independientemente del fabricante.
En el protocolo 802.11a, la modulación multicanal usa 48 subcanales de datos y 4 subcanales piloto, espaciados los más próximos posibles en frecuencia dentro de la misma banda sin causar interferencia mutua. Los subcanales piloto actúan como referencias para los cambios en las propiedades de la transmisión en diferentes condiciones ambientales. Cada subcanal propaga su propio flujo de datos, lo que permite tasas de transmisión de entre 6 y 54 Mb/s en la banda de licencia libre de 5 GHz. El estándar 802.11a se adoptó lentamente debido a que los transmisores (radios) de 5 GHz eran caros de fabricar, la banda de 5 GHz no estaba disponible de forma gratuita en todo el mundo, y los procesadores digitales de señal (DSP) para procesar la transmisión OFDM sólo se han abaratado recientemente.
En junio de 2003, la aparición del estándar 802.11g resolvió todos estos inconvenientes. Además, cambios en la legislación de varios países permitió el uso de OFDM en la banda de 2.4 GHz, que operando a menor frecuencia permite un abaratamiento en la fabricación de los dispositivos (ya que los componentes electrónicos integrados pueden utilizar una tecnología de integración más sencilla al ser de mayor tamaño).
La última mejora, 802.11n, que se convirtió en estándar IEEE a finales de 2008, también utiliza OFDM pero permite hasta 4 antenas de transmisión, cada una emitiendo de forma independiente. La última versión de los equipos Wi-Fi, basada en una versión de prueba del estándar IEEE 802.11n, promete tasas de hasta 600 Mb/s (megabits por segundo), lo que es suficiente para la transmisión simultánea de varias señales de T.V. de alta definición. El problema de extender el rango útil de la Wi-Fi se encuentra con los problemas del coste y de la interferencia con otras fuentes de radiofrecuencias.
Aunque la Wi-Fi es muy versátil, no permite dar servicio a grandes regiones en las que se encuentren usuarios fijos, móviles y en movimiento con un coste bajo y una potencia ultrabaja. Varias ciudades que estudiaron la posibilidad de desplegar una red Wi-Fi de cobertura completa desecharon la idea, ya que requería instalar miles de estaciones por todo el territorio.
WiMAX: La Alternativa de Amplio Alcance
Con el objetivo de proveer acceso a datos de alta velocidad y amplia cobertura, al menos para usuarios de posición fija, se desarrolló el estándar WiMAX fijo (IEEE 802.16-2004). Proveer servicios de datos de alta velocidad para usuarios móviles es el gran reto en la ingeniería de comunicaciones no guiadas terrestres. Las soluciones actuales van desde las propuestas basadas en telefonía móvil 3G (de tercera generación) al estándar IEEE llamado 802.16e-2005 para la WiMAX móvil comercial.
Las siglas de WiMAX significan Worldwide Interoperability for Microwave Access, lo que en español se podría traducir como Interoperabilidad Mundial para Acceso por Microondas. Para entenderlo de manera sencilla, WiMAX puede referirse a una alternativa al cable a la hora de llevar Internet a tu casa mediante conexión inalámbrica basada en los estándares de comunicación IEEE 802.16, y que permite llevar Internet con un alcance que puede llegar a los 70 kilómetros. Así pues, en concepto, es algo que puede recordar mucho al Wi-Fi, ya que la conexión te llega por el aire, pero que ofrece un servicio que sustituye a los cableados que llevan la conexión a tu casa.
La tecnología WiMAX es un tipo de conexión de Internet que supone una alternativa a las tecnologías que necesitan de un gran despliegue de cable para su uso, como el ADSL y la fibra óptica. Se trata de una conexión de banda ancha que viaja a través de ondas de radio en las frecuencias de 2,5 a 5,8 GHz y que permite conexiones inalámbricas a una distancia de hasta 70 kilómetros. El funcionamiento de la tecnología WiMAX es diferente al del ADSL y fibra. La señal WiMAX supone una gran ventaja en aquellas zonas sin apenas cobertura de Internet.
Quizás la mayor ventaja de WiMAX sobre la Wi-Fi es que opera en varias bandas de frecuencia bajo licencia, lo que elimina la interferencia y cacofonía propia de las bandas no sujetas a licencia. Además, un servicio bajo licencia está sujeto a una legislación que permite que los transmisores WiMAX puedan alcanzar una mayor potencia, puedan ser fácilmente expandidos o ampliados, permitiendo una cobertura de más de 1 km, o al menos unas 20 veces más que la alcanzada por una estación base de Wi-Fi.
El gran inconveniente de la tecnología WiMAX es que, en un contexto donde los usuarios son móviles, ciertas estaciones pueden llegar a recibir un enorme número de solicitudes de usuarios, lo que requiere métodos de asignación de recursos extremadamente avanzados. WiMAX lo permite asignando los diferentes grupos de subportadoras OFDM a diferentes usuarios. Se espera que las estaciones Wi-Fi dominen la cobertura en espacios interiores con una gran densidad de usuarios, siendo WiMAX la mejor opción para cubrir áreas grandes poco densas. De esta forma, la mejor manera de garantizar cobertura permanente (por ejemplo en vehículos) es tener acceso a ambos sistemas.
El estándar IEEE 802.16 MAN define esta tecnología, que se considera dentro de las conocidas como tecnologías de última milla, también conocidas como bucle local, que permiten la recepción de datos por microondas y retransmisión por ondas de radio. Existe otro tipo de equipamiento (no estándar) que utiliza frecuencia libre de licencia de 5,4 GHz, todos ellos para acceso fijo.
Estándares y Evolución de WiMAX
El estándar original IEEE 802.16 (ahora llamado «Fixed WiMAX») fue publicado en 2001. Este especificaba una capa física de funcionamiento en el rango de 10 a 66 GHz. El 802.16a, actualizado en 2004 a 802.16-2004, añadió especificaciones para el rango de 2 a 11 GHz. El 802.16-2004 fue actualizado por 802.16e-2005 en 2005 y utiliza el acceso múltiple por división de frecuencias ortogonales (OFDMA) escalable, en oposición a la versión de multiplexación por división de frecuencia ortogonal fija (OFDM) con 256 subportadoras (de las cuales 200 se utilizan en 802.16d, aunque versiones más avanzadas, como 802.16e, también traen soporte de múltiples antenas MIMO).
Existen planes para desarrollar perfiles de certificación y de interoperabilidad para equipos que cumplan el estándar IEEE 802.16e (lo que posibilitará movilidad), así como una solución completa para la estructura de red que integre tanto el acceso fijo como el móvil. Actualmente, se recogen dentro del estándar 802.16:
- Acceso Fijo (802.16d): Se establece un enlace radio entre la estación base y un equipo de usuario situado en el domicilio del usuario. Para el entorno fijo, las velocidades teóricas máximas que se pueden obtener son de 70 Mbit/s con una frecuencia de 20 MHz.
- Movilidad Completa (802.16e): Permite el desplazamiento del usuario de un modo similar al que se puede dar en GSM/UMTS. Este estándar, en su variante «no licenciado», compite con el Wi-Fi IEEE 802.11n, ya que la mayoría de los portátiles y dispositivos móviles empiezan a estar dotados de este tipo de conectividad.
El WiMAX MAC utiliza un algoritmo de programación en el que la estación de abonado necesita competir sólo una vez para la primera entrada en la red. Después de permitirse la entrada a la red, la estación de abonado recibe la asignación de una ranura de acceso por la estación base. El intervalo de tiempo se puede ampliar y contraer, pero sigue siendo asignado a la estación de abonado, lo que significa que otros usuarios no pueden utilizarla. Además de ser estable bajo condiciones de sobrecarga y exceso de suscripción, el algoritmo de planificación también puede ser más eficiente en el uso del ancho de banda.
Una de las ventajas importantes de los sistemas inalámbricos avanzados, tales como WiMAX, es la eficiencia espectral. Por ejemplo, 802.16-2004 (fijo) tiene una eficiencia espectral de 3.7 bit/s/Hertz, y otros sistemas inalámbricos de 3,5-4G ofrecen eficiencias espectrales que son similares a unas pocas décimas de un porcentaje. La notable ventaja de WiMAX proviene de la combinación SOFDMA con tecnologías de antenas inteligentes. Esto multiplica la eficiencia espectral efectiva a través de la reutilización múltiple y el despliegue de redes inteligentes en topologías.
El estándar 802.16m es significativamente más rápido que su predecesor y uno de sus objetivos es que la velocidad de descarga alcance los 100 Mbit/s.
ESTANDAR WIMAX 802.16
Comparativa y Complementariedad: Wi-Fi vs. WiMAX
Las comparaciones y confusiones entre WiMAX y Wi-Fi son frecuentes debido a que ambos están relacionados con la conectividad inalámbrica y acceso a Internet. WiMAX es un sistema de largo alcance, que abarca muchos kilómetros, que utiliza el espectro con o sin licencia para ofrecer conexión a una red, en la mayoría de los casos, la Internet. Wi-Fi funciona con el protocolo CSMA/CA de acceso de control de medios, que es sin conexión y basado en contienda, mientras que WiMAX funciona con un MAC con conexión.
WiMAX utiliza un mecanismo de calidad de servicio (QoS) sobre la base de las conexiones entre la estación base y el dispositivo de usuario. Wi-Fi utiliza acceso de contención (todas las estaciones de abonado que deseen pasar datos a través de un punto de acceso inalámbrico [AP] están compitiendo por la atención de la AP en una base de interrupción aleatoria).
Tanto IEEE 802.11 (que incluye Wi-Fi) como IEEE 802.16 (incluye WiMAX) definen redes Peer-to-Peer (P2P) y redes ad hoc, donde el usuario final se comunica a usuarios o servidores en otra red de área local (LAN) a través de su punto de acceso o estación base.
Aunque Wi-Fi y WiMAX están diseñados para situaciones diferentes, son complementarios. Los operadores de redes WiMAX suelen proporcionar una unidad de abonado WiMAX, que se conecta a la red WiMAX metropolitana y ofrece Wi-Fi en el hogar o negocio para los dispositivos locales (por ejemplo, ordenadores portátiles, teléfonos Wi-Fi, smartphones) para la conectividad.
Aplicaciones y Despliegues de WiMAX
WiMAX se puede utilizar para una serie de aplicaciones, incluyendo conexiones de banda ancha para Internet, backhaul de telefonía móvil, puntos de acceso, etc. WiMAX puede proporcionar en el hogar o acceso a Internet móvil a través de ciudades o países enteros. En muchos casos, esto ha dado lugar a la competencia en los mercados, que por lo general sólo tenían acceso a través de un DSL titular existente (o similar) del operador.
WiMAX móvil era un candidato de reemplazo para las tecnologías de telefonía celular, tales como GSM y CDMA, o se puede utilizar como una plantilla para aumentar la capacidad. En América del Norte, el backhaul para las operaciones urbanas se proporciona normalmente a través de una o más conexiones de las líneas de hilo de cobre, mientras que las operaciones celulares remotas a veces utilizan backhaul a través de satélite. En otras regiones, el backhaul urbano y rural se suele realizar mediante enlaces de microondas (la excepción a esto se da cuando la red es operada por un operador tradicional con fácil acceso a la red de cobre).
WiMAX tiene requisitos de ancho de banda de red de retorno más sustanciales que las aplicaciones celulares heredadas. En consecuencia, el uso de backhaul de microondas inalámbrica está en aumento en América del Norte y se están actualizando enlaces de backhaul de microondas existentes en todas las regiones. En muchos casos, los operadores están agregando sitios que utilizan la tecnología inalámbrica y luego presentan el tráfico en las redes de fibra cuando sea conveniente.
WiMAX soporta directamente las tecnologías que hacen posible las ofertas de servicios triple play (tales como Calidad de Servicio y multidifusión). El 7 de mayo de 2008, en los Estados Unidos, Sprint Nextel, Google, Intel, Comcast, Bright House y Time Warner anunciaron una puesta en común de un espectro de promedio 120 MHz y una fusión con Clearwire para comercializar el servicio. La nueva compañía esperaba beneficiarse de las ofertas de servicios combinados y recursos de red como un trampolín para superar a sus competidores. Algunos analistas dudaron que este acuerdo fuera a funcionar: a pesar de que la convergencia fijo-móvil ha sido un factor reconocido en la industria, los intentos anteriores para formar alianzas entre las compañías inalámbricas y de cable no han logrado conducir a importantes beneficios para los participantes. Otros analistas señalan que a medida que la tecnología inalámbrica avanza hacia un mayor ancho de banda, inevitablemente competirá más directamente con el cable y el DSL, inspirando a los competidores a colaborar.
Corea del Sur puso en marcha una red WiMAX en el segundo trimestre de 2006. A finales de 2008, había 350.000 suscriptores de WiMAX en Corea. En el futuro se verá una lucha por la mejora del estándar 4G, ahora en manos de LTE. Se intentará desarrollar un aumento en el ancho de banda y disminuir la latencia o ping. El estándar LTE concluyó en diciembre de 2008, el primer despliegue comercial de LTE fue llevado a cabo por TeliaSonera en Oslo y Estocolmo en diciembre de 2009. En algunas áreas del mundo, la amplia disponibilidad de UMTS y el deseo general de su estandarización ha significado que WiMAX no haya sido alojado en el espectro de frecuencias.
Mijas, la ciudad de los burros taxis, una de las ciudades más «ricas» de España, ha sacado un concurso público por 300 mil euros en el Programa «Mijas Digital». El plazo máximo para la realización del despliegue será de 3 meses desde la firma del contrato de adjudicación del concurso, con el objetivo de ser una de las primeras ciudades españolas con cobertura completa WiMAX.
Dispositivos y Componentes
Las unidades portátiles incluyen teléfonos móviles (similares a los smartphones), periféricos de PC (tarjetas de PC o dispositivos USB) y los dispositivos integrados en los ordenadores portátiles, que ahora están disponibles para Wi-Fi. Además, se pone mucho énfasis por los operadores en dispositivos electrónicos de consumo tales como consolas de juego, reproductores de MP3 y dispositivos similares. El sitio web del Foro WiMAX proporciona una lista de dispositivos certificados.
Los dispositivos gateway (puerta de enlace) WiMAX están disponibles tanto en versiones de interior como de exterior de varios fabricantes. Muchas de las puertas de enlace WiMAX que se ofrecen por fabricantes como Vecima Networks, Alvarion, Albentia Systems, Airspan, ZyXEL, ZTE, Huawei y Motorola, son unidades interiores (indoor) autoinstalables. Las unidades exteriores (outdoor) son aproximadamente del tamaño de un ordenador portátil y su instalación es comparable a la instalación de una antena de televisión. Una unidad exterior direccional de alta ganancia generalmente resultará en un gran incremento de la distancia y del rendimiento, pero con la obvia pérdida de movilidad práctica de la unidad.
USB puede proporcionar conectividad a una red WiMAX a través de lo que se llama un dispositivo de seguridad. En general, estos dispositivos están conectados a un ordenador portátil o netbook. HTC ha anunciado el primer teléfono móvil habilitado para WiMAX, la Max 4G, el 12 de noviembre de 2008. HTC y Sprint Nextel lanzaron el segundo teléfono móvil con tecnología WiMAX, el EVO 4G, el 23 de marzo de 2010 en la conferencia de CTIA en Las Vegas. El dispositivo, disponible el 24 de junio de 2010, es capaz tanto de EV-DO (3G) como de WiMAX (pre-4G), así como datos y sesiones de voz simultáneos.
En el ámbito de los componentes, la investigación y desarrollo de Amplificadores de Bajo Ruido (LNA) de alto rendimiento es crucial. Un ejemplo es el diseño de un LNA totalmente integrado de bajo ruido y baja potencia, dirigido a las tres bandas de aplicaciones WLAN IEEE 802.11a en la banda de 5-6 GHz, utilizando tecnología SiGe BiCMOS HBT de 0,35 µm. Este LNA, emparejado en chip SiGe HBT, exhibe una figura de ruido (NF) de 2.75 dB, ganancia de >15dB, pérdida de retorno de entrada de <-15dB, pérdida de retorno de salida de <-10dB y consume solo 10,6 mW con una tensión de alimentación de 3,3 V.
El Rol del WiMAX Forum y la Interoperabilidad
El WiMAX Forum es una organización sin fines de lucro creada para promover la adopción de productos y servicios compatibles con WiMAX. Un papel importante para la organización es certificar la interoperabilidad de los productos WiMAX. Aquellos que pasan pruebas de conformidad e interoperabilidad logran la designación "WiMAX Forum Certified", y pueden mostrar esta marca en sus productos y material de marketing. Algunos vendedores afirman que su equipo es "WiMAX-ready", "WiMAX compatible con", o "pre-WiMAX", si no están oficialmente WiMAX Forum Certified. Otra función del WiMAX Forum es promover la difusión del conocimiento sobre WiMAX, para lo cual cuenta con un programa de formación certificada.
La WiSOA (Alianza Propietaria del Espectro WiMAX) fue la primera organización mundial compuesta exclusivamente por los propietarios de espectro WiMAX con planes para desplegar la tecnología WiMAX en las bandas. WiSOA se centra en la regulación, comercialización y despliegue de WiMAX en el espectro de 2.3 a 2.5 GHz y los rangos de 3.4 a 3.5 GHz.
Retos y Futuro de la Conectividad Inalámbrica
La evolución constante de las tecnologías de comunicación inalámbrica presenta tanto oportunidades como desafíos. Si bien WiMAX ofrece una solución robusta para la conectividad de banda ancha en áreas extensas y para usuarios móviles, la competencia con tecnologías emergentes como LTE y el desarrollo continuo de Wi-Fi con mayores velocidades y eficiencias, configuran un panorama tecnológico dinámico.
En el futuro, se vislumbra una consolidación de las redes 4G y el desarrollo hacia estándares aún más avanzados, con un incremento en el ancho de banda y una disminución de la latencia o ping. La capacidad de integrar de manera fluida servicios fijos y móviles, junto con la optimización de la eficiencia espectral y la calidad de servicio, serán factores clave para el éxito de las futuras generaciones de conectividad inalámbrica.
En el contexto específico de la red de la UCLV (Universidad Central de Las Villas), se ha propuesto el diseño de una red inalámbrica WiMAX móvil basada en el estándar IEEE 802.16e para solucionar las dificultades encontradas, teniendo en cuenta experiencias en Cuba de pruebas de campo efectuadas utilizando esta tecnología. Este diseño se complementa con el dimensionamiento de una red de transporte basada en la tecnología GPON, con el objetivo de conducir las señales hacia la red nacional de telecomunicaciones. Para validar los resultados obtenidos, se realizó la predicción de cobertura mediante el software Atoll 2.8.0 y la simulación de uno de los procesos que determina la calidad de la conectividad durante el traspaso de celdas ("handover"), utilizando para esto el software Opnet Modeler 14.5.
La tecnología, en general, se enmarca dentro de las Tecnologías de la Información y Comunicación (TIC), que son el conjunto de tecnologías que permiten el acceso, producción, tratamiento y comunicación de información presentada en diferentes códigos (texto, imagen, sonido,…). Las TIC se desarrollan a partir de los avances científicos producidos en los ámbitos de la informática y las telecomunicaciones.
En resumen, mientras Wi-Fi continúa dominando los espacios interiores y de alta densidad de usuarios, WiMAX se posiciona como una solución estratégica para la cobertura de áreas geográficas más amplias, sirviendo como un puente vital entre las redes fijas y móviles y expandiendo el acceso a Internet de alta velocidad donde antes era limitado. La coexistencia y complementariedad de ambas tecnologías serán fundamentales para construir un ecosistema de conectividad inalámbrica verdaderamente ubicuo y eficiente.