aerDOCSIS vs WiFi en aplicaciones punto-punto: Eficiencia MAC

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

• 802.11 tiene una capacidad máxima en 64QAM-3/4 de 54 Mbps con un canal de 20 MHz (realmente el ancho de banda ocupado es de unos 16 MHz). La capa MAC es poco eficiente por ser una MAC estadística basada en ráfagas con mecanismos de contienda, algo de lo que hablaremos otro día. De hecho, el máximo throughput Ethernet que se puede encontrar en equipos comerciales 802.11 es de 22 Mbps, aunque lo general es que esté por debajo de 15Mbps. Esto quiere decir que de los 54Mbps físicos sólo se aprovechan 22Mbps a nivel Ethernet. La eficiencia MAC es inferior al 50%

• aerDOCSIS tiene una capacidad máxima en 64QAM-3/4 de 37.7 Mbps para canales de 10 MHz (realmente son de 9 MHz ocupados). La capa MAC es determinista, entramada y libre de contienda (ya hablaremos de esto), por lo que es altamente eficiente. Los equipos aerDOCSIS pueden proporcionar 34.4 Mbps a nivel Ethernet, es decir, la eficiencia MAC es superior al 90%.

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

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

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

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

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

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