Para ambas tecnologías el IEEE eligió la modulación OFDM debido a sus importantes ventajas en entornos caracterizados por propagación mulitrayecto. Esta preocupación por el multitrayecto se debe fundamentalmente a que ambas tecnologías tienen una arquitectura punto-multipunto que conecta un punto central denominado estación base o punto de acceso, con una o varias estaciones suscriptoras o CPEs (Customer Premises Equipment). Esta arquitectura punto-multipunto lleva al empleo de antenas omnidireccionales o sectoriales, que se caracterizan por una gran apertura en su diagrama de radiación, por lo que la señal entre el AP o BS y la estación suscriptora o CPE puede viajar por múltiples caminos, generando una fuerte interferencia entre símbolos debido a los diferentes retardos de propagación de cada camino de transmisión.
Sin embargo, tal y como se indicó en la entrada sobre modulación OFDM, no todas las OFDM son iguales, sino que sus características se definen para un escenario de propagación concreto.
El parámetro más importante que define la capacidad de la modulación OFDM de combatir la interferencia entre símbolos generada por el multitrayecto es la duración del “prefijo cíclico”. Esa es la principal diferencia entre las modulaciones OFDM de 802.11 y de 802.16.
Para que la modulación OFDM haga bien su trabajo, la duración de la interferencia entre símbolos generada por el canal (denominada “dispersión temporal”) debe ser inferior a la duración del prefijo cíclico. De lo contrario, los símbolos OFDM se entremezclarán y la modulación fracasará. Típicamente se suele recomendar que la dispersión temporal del canal debe ser inferior al 60% de la duración del prefijo cíclico, para dejar margen para otros factores que afectan a la dispersión temporal total, como es el filtrado de conformado de canal empleado por el transmisor.
Vamos a ver a continuación cómo se han definido los prefijos cíclicos en los estándares 802.11 y 802.16 para comprender sus limitaciones.
– La OFDM de 802.11a y 802.11g
La tecnología 802.11 fue concebida para redes LAN inalámbricas, mediante las que se logra la interconexión de dispositivos (ordenadores, impresoras…) formando una misma red dentro de un edificio, una vivienda o una oficina. Las distancias de propagación son cortas, en ningún caso suelen superar los cien metros.
El multitrayecto en 802.11 es de corta duración debido a esa corta distancia entre el punto de acceso (AP) y las estaciones suscriptoras (SS). En un entorno como el anteriormente descrito, la diferencia en la longitud de trayectos recorridos por dos rayos que recorran diferentes caminos entre el AP y la SS no puede ser muy grande, por lo que la diferencia en los tiempos de llegada tampoco lo será.
La primera versión del estándar 802.11 que empleó modulación OFDM fue 802.11g (en la banda de 2.4GHz) y 802.11a (en la banda de 5.2 GHz). En esos estándares se definió que los símbolos OFDM tendrían una duración de cuatro microsegundos, de los que los primeros 800 nanosegundos forman el prefijo cíclico. La duración del prefijo cíclico es por tanto de 800ns.
Si usamos la regla del 60% anteriormente indicada, un prefijo cíclico de 800ns es válido para canales con dispersión temporal inferior a 480ns. Esto quiere decir que en un escenario en el que la transmisión entre el AP y una SS se realice a través de múltiples trayectos, el tiempo de llegada entre el trayecto más corto y el más largo no puede exceder esos 480ns. Como la señal viaja a la velocidad de la luz, ese intervalo de tiempo implica que la diferencia en la distancia recorrida por ambos trayectos no puede exceder los 144 metros.
Dado que el estándar 802.11 fue diseñado para comunicación entre dispositivos en redes de área local, separados como mucho algunas decenas de metros, parece razonable pensar que por muchos rebotes que sufra una señal, una diferencia de caminos de 144 metros es más que suficiente.
– La OFDM de 802.11n
En la versión 802.11n del estándar, se conservó la duración de la parte útil del símbolo (3.2 microsegundos), pero se introdujo la opción de usar un prefijo cíclico de 800ns o uno de 400ns. Usar un prefijo cíclico más corto aumenta el throughput del sistema, ya que el prefijo cíclico no transporta información y desde el punto de vista del throughput es totalmente inservible. Ese fue el motivo de la introducción de la nueva modalidad de prefijo cíclico reducido.
Ese prefijo cíclico de 400ns es capaz de soportar una dispersión temporal de hasta 240ns, lo que se traduce en una diferencia de distancia de 72 metros. Esta distancia se ha reducido a la mitad, pero sigue pareciendo más que suficiente para una aplicación de área local
– La OFDM de 802.16
A diferencia que el 802.11, el estándar 802.16 fue concebido para redes de área metropolitana, en los que los CPEs se conectan a una estación base que puede estar a kilómetros de distancia. No es una tecnología orientada a conectar dispositivos dentro de una vivienda u oficina, sino para conectar esa vivienda u oficina a las redes de comunicaciones.
En ese escenario de propagación a larga distancia, una dispersión temporal de 240ns o 480ns como la contemplada como máximo en los casos 802.11n y 802.11g, es claramente insuficiente.
El estándar IEEE 802.16 define diferentes modulaciones según la banda de trabajo. En el caso de las bandas libres de 5 GHz, el ancho de canal más común es de 10MHz, que emplea símbolos con una parte útil de 22.2 microsegundos al que se le añade un prefijo cíclico de duración a elegir entre 694ns, 1389ns, 2778ns o 5556ns. Estos prefijos cíclicos se conocen respectivamente como 1/32, 1/16, 1/8 y 1/4 del tiempo de símbolo. Esta variedad de prefijos cíclicos permite aumentar el throughput en escenarios con poco multitrayecto, y ser extraordinariamente robustos en escenarios con mucho multitrayecto.
Si traducimos los anteriores tiempos a distancia en base a la regla del 60%, el prefijo cíclico es capaz de corregir al multitrayecto en casos de diferencia de trayectos de 125 metros (1/32), 250 metros (1/16), 500 metros (1/8) o 1000 metros (1/4).
Es poco habitual emplear el prefijo cíclico de 1/32, puesto que su protección al multitrayecto es inferior al de 802.11g. Para 1/8, la protección es ya un 74% superior a la de 802.11g, llegando en el caso de 1/4 a un prefijo cíclico siete veces superior al de 802.11g. Si la comparativa es con 802.11n, se llega a un factor catorce en el caso del prefijo cíclico de 1/4. Es decir, que 802.16 con prefijo cíclico de 1/4 es capaz de soportar una dispersión temporal catorce veces superior a la que soporta 802.11n con prefijo cíclico corto, ya que la duración del prefijo cíclico es catorce veces mayor.
– ¿Qué OFDM es la apropiada para redes inalámbricas de acceso ISP o videovigilancia ciudadana?
Esas dos aplicaciones caen claramente dentro del ámbito metropolitano, puesto que las distancias entre la estación base y las unidades suscriptoras puede llegar a ser de varios kilómetros. Al tratarse de propagación a larga distancia es fácil que los caminos recorridos en diferentes trayectos difieran en varios cientos de metros, lo que generaría una dispersión temporal de varios cientos de nanosegundos. Dicha dispersión temporal sólo es tolerable por 802.16.
– ¿Qué pasa si uso la OFDM de 802.11 en redes de ámbito metropolitano?
Si se emplea la modulación de 802.11a/g o de 802.11n (peor aún) en escenarios de ámbito metropolitano como son las redes de acceso empleadas por los operadores ISP o las redes inalámbricas videovigilancia ciudadana, es muy fácil que la dispersión temporal del canal exceda la duración del prefijo cíclico, por lo que la OFDM fracasará y se empezarán a entremezclar unos símbolos OFDM con otros. Es decir, habrá interferencia entre símbolos que generará degradación en la relación SNR o pérdida de paquetes.
A continuación ilustramos este problema con un ejemplo real, en el que la comunicación entre dos puntos se realiza a través de un rayo directo y un rayo reflejado que rebota en un edificio. La distancia entre el transmisor y el receptor (la distancia recorrida por el rayo directo) es de sólo dos kilómetros, una distancia relativamente corta muy fácil de encontrar en escenarios de redes de ISP o de videovigilancia ciudadana.
Algunos fabricantes de equipamiento inalámbrico basado en 802.11 pero orientado a aplicaciones de ISP o videovigilancia (gran contradicción) han optado por dotar a los puntos de acceso y a las unidades suscriptoras con antenas 45 grados de apertura. Esto lo hacen para que el mismo dispositivo pueda emplearse como punto de acceso, que suele requerir de gran apertura para poder comunicarse con varias unidades suscriptoras, y también como unidad suscriptora.
En el caso de las antenas indicadas, el rayo reflejado puede partir con un ángulo de hasta 22.5 grados respecto al rayo directo, por lo que la distancia total recorrida por el rayo reflejado hasta alcanzar el receptor sería de 2.164 metros, 164 metros más que la distancia recorrida por el rayo directo. Esto implica que el rayo reflejado llegará con un retraso de 546ns respecto al rayo directo. Si repasamos las características de la modulación OFDM de 802.11 anteriormente indicadas, vemos que esa modulación no es capaz de corregir una dispersión temporal de 546 nanosegundos. En cambio, esa dispersión temporal no es ni la sexta parte de la que es capaz de corregir 802.16.
En el ejemplo expuesto, el uso de esas antenas (45 grados de apertura) debería limitarse a distancias de hasta 1.75km si se emplea 802.11a/g, o hasta sólo 875 metros si se emplea 802.11n. Esto no quiere decir que el sistema vaya a fallar si se exceden esas distancias, sino que para mayores distancias no hay garantías de que la modulación OFDM pueda protegernos frente a la interferencia entre símbolos generada por la propagación multitrayecto.
– Conclusión
Nuevamente se demuestra que los estándares IEEE están bien pensados y adaptados para una aplicación específica. En el caso de 802.11 son las redes de área local, mientras que en 802.16 son las redes de área metropolitana. Esto se ve reflejado en las características de la modulación OFDM empleada por cada estándar.
No hacer caso a las recomendaciones del IEEE, como es el caso de emplear la modulación OFDM de 802.11 en redes de acceso de operadores ISP o en redes inalámbricas para videovigilancia inalámbrica, puede suponer una importante degradación del rendimiento debido a que dicha modulación no fue concebida para esos escenarios. Para esas aplicaciones, lo correcto es emplear la modulación OFDM de 802.16, tal y como lo recomienda el IEEE.
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