WRAN (Wirreless Regional Area Network) – IEEE 802.22

El desafío de llevar Internet a más lugares vive una nueva fase. Hasta ahora, muchas zonas alejadas de las grandes ciudades tenían dificultades para recibir señales de conexión a Internet. Por el momento la mejor solución era llevar Internet a este tipo de lugares gracias a la tecnología por satélite.

Se debe buscar una tecnología que al ser aplicada en entornos rurales cumpla con las siguientes características

- Tiene que ser robusta y sencilla de usar ya que los usuarios van a ser poco cualificados y no van a contar con el apoyo continuo de asesores preparados.

- Los equipos deben requerir poco o ningún mantenimiento de técnicos especializados- Los costes deben ser bajos

En mayo de 2004, se formó el grupo de trabajo IEEE 802.22 sobre Redes Inalámbricas de Área Regionales. Su proyecto fue llamado formalmente como estándar para redes inalámbricas de área regional (WRAN). Cognitive Wireless RAN. Como es sabido los en este estándar se especifica el nivel de control de acceso al medio (MAC) y la capa física (PHY especificaciones).en este estándar también se especifican las políticas y procedimientos para la operación en las bandas de televisión las cuales se adoptaron como parte del espectro utilizado en WRAM, las bandas utilizadas por la tecnología 802.22 son UHF / VHF tomando las frecuencias entre 54 y 862 MHz. Se busca que las bandas de guarda entre los canales de TV sean utilizadas por esta tecnología al igual que los canales que no se utilizan por tiempos determinados de esta manera se hace una distribución del espectro más óptima siempre y cuando se eviten las interferencias co-canal y de canal adyacente.

Para poder detectar el espectro disponible se han propuestos diversos mecanismos, uno de ellos es armar a las estaciones bases de dispositivos GPS los cuales van a identificar su posición de la BS y así enviar una solicitud de información a unos servidores centralizados que serían administrados por los organismos reguladores de las comunicaciones los cuales le responderán a la estación base con información acerca de los canales de TV disponibles en esa área con sus respectivas bandas de guarda. El otro mecanismo es que la estación base se dote de capacidades para poder realizar una detección del espectro local y ella será la encargada de decidir cuales canales usar para la comunicación.

Las redes WRAN harían uso del "ruido blanco", un espacio en el espectro electromagnético que usa la TV analógica, pero que será liberado cuando se empiecen a usar señales digitales, este proceso se está llevando a cabo en Colombia actualmente, es por esto de la TV digital que se oferta un nuevo canal pero se necesita una BS distinta y una CPE en nuestras casas diferentes para captar el nuevo tipo de señal radiada. Un canal de TV análogo normalmente no se encuentra al lado de otro porque produciría interferencia entre una señal y la otra así que hay un espacio intermedio que está desocupado, ese espacio inútil prácticamente se elimina con la utilización de televisión digital, que no produce esas confusiones de señales es decir se reduce el tamaño de las bandas de guarda y se aumenta la eficiencia del plan de frecuencias para TV. Así, ese espectro se puede utilizar para un nuevo servicio en este caso WRAN.

El sistema podría ser muy útil en lugares donde no hay mucho acceso a internet, como países en desarrollo o zonas más aisladas, que con un sólo equipo podrían iluminar hasta 100 kilómetros a la redonda. El problema es que no todos los países han pasado a TV digital, y menos todavía han regulado qué hacer con el espectro entre los 54MHz a los 698MHz, así que por el momento sólo está en el terreno de la posibilidad.

Una de las principales ventajas de las redes WRAN es el área de cobertura e 100 Km como máximo en comparación con otras tecnologías que tienen áreas de cobertura mucho más bajas, en la siguiente figura se muestra un comparativo ente diferentes tecnologías inalámbricas en donde se puede observar que WRAN es la que mayor área de cobertura posee.

Las redes WRAN se pueden ver como una red WIFI pero de un alcance muy elevado, estos alcances son posibles gracias a destinos avances que se han dado en las transmisiones vía radio en especial a las radio cognitivas que se puede ver como una transmisión radio inteligente.

Radio cognitiva:

Los desarrollos en tecnologías de Radio Software en los años noventa y en la primera década del 2000, han permitido que la tecnología de Radio Cognitivo empiece a tomar fuerza en diversos ámbitos de los sistemas de radio.

La Radio Cognitiva es una forma de la comunicación inalámbrica en la que un transceptor inteligente puede detectar los canales de comunicación que se están utilizando y los que no se están utilizando, y al instante pasar a los canales no empleados, evitando al mismo tiempo los ocupados. Esto optimiza el uso del espectro de radio frecuencia (RF) y la posibilidad de reducir al mínimo la interferencia a otros usuarios. Esto significa que para transmitir información se pueden controlar factores como el estado de ocupación del espectro de radiofrecuencias y el número de usuarios que emplean las redes. Es decir, aprovechar al máximo los canales que quedan libres, sin provocar interferencias con las transmisiones convencionales, con licencia para transmitir. En este caso, el empleo del espectro de frecuencias se podrá hacer sin necesidad de utilizar licencia alguna, porque no se ocupa permanentemente una frecuencia determinada.

Las características básicas que debería poseer un sistema Cognitive Radio son:

Percibir el entorno en el que opera, mediante técnicas de spectrum sensing. Poseer conciencia de dicho entorno, así como de sus propias capacidades y

recursos. Variar y adaptar, de forma inteligente, sus parámetros de transmisión/recepción. Poder actuar tanto de transmisor como de receptor, de forma autónoma.

Un dispositivo de radio cognitiva debería poder reconfigurar los siguientes parámetros:

Sistemas de comunicación: Debe operar a través de distintos sistemas de comunicación.

Modulación: el dispositivo deberá poder seleccionar el tipo de modulación adecuado en función de las características de canal y los requerimientos del usuario.

Frecuencia Portadora: Con Base en la información sobre el espectro radioeléctrico disponible y del tipo de transmisión a realizar, debería ser capaz de seleccionar la frecuencia portadora más adecuada.

Potencia transmitida: Si las características del medio permiten reducción en la potencia transmitida, el dispositivo de radio cognitiva debería reducirla hasta un cierto nivel pero deberá continuar manteniendo la calidad de la transmisión pero, a la vez se podrá aumentar el número de usuarios que comparten esa porción de espectro, reduciendo la interferencia entre ellos.

Funciones Principales de Radio Cognitivo

Detección de espectro: Un requisito muy importante para el correcto funcionamiento de las radios cognitivas es que han de ser capaces de detectar el espectro desaprovechado y utilizarlo sin provocar interferencias negativas en otros usuarios.

Administración del espectro: Utilizar el ancho de banda que encaje mejor con el QoS que necesite el usuario entre todos los anchos de banda disponibles

Análisis de espectro: Identificar las características de cada banda disponible para saber las ventajas o inconvenientes de utilizarlo (retardo, probabilidad de error...)

Movilidad espectral: Las radios cognitivas están ideadas para cambiar de banda constantemente, a otras mejores, de una forma que debe ser imperceptible para el usuario.

Elementos establecidos como base para la norma 802.22

Topología del sistema: El sistema tiene una estación base con un número de usuarios o equipos (es punto a multipunto), la estación base también controla el acceso al medio y gestiona los aspectos de "radio cognitiva" del sistema.

El área de cobertura: el rango especificado es de 33 kilómetros (con 4W de PIRE), y en algunos casos la cobertura de la estación base puede extender a 100 km

Capacidad del sistema: El sistema se ha definido inicialmente para permitir en el enlace descendente alrededor de 22 Mbps.

MODELO DE CAPAS

CAPA FÍSICA: La capa física mantiene un alto grado de flexibilidad para poder cumplir con todos los requisitos que se necesiten en cualquier parte del mundo en donde se desea la implementación del estándar IEEE 802.22

La capa física provee tres funciones importantes:

- intercambiar las tramas entre el nivel físico y el nivel MAC

- utilizar la señal portadora y modulación de espectro ensanchado para poder realizar la transmisión de las tramas a través del medio

- proveer al nivel MAC de un indicador de detección de portadora para poder así darse cuenta si el medio está ocupado o desocupado.

Esta capa se divide en dos subcapas, la primera es la subcapa PLCP (Physical Layer Convergence Procedure), tiene las funciones específicas para poder interactuar con el nivel MAC, la segunda subcapa es la PMD (Physical Medium Dependent Layer), encargada de la interacción con el medio inalámbrico, entre sus funciones se encuentra la amplificación de las señales al igual que la modulación.

El esquema de modulación utilizada es OFDM (Acceso Múltiple por División de Frecuencias Ortogonales), este tipo de modulación permite enviar un conjunto de ondas portadoras que tengan diferente frecuencia transportando cada una información que se somete a un proceso de modulación como QAM. Con OFDM se pueden reducir los efectos del desvanecimiento por multitrayecto.

CAPA MAC :El hecho de que el estándar IEEE 802.22 es tan flexible trae una serie de nuevos retos para la aplicación práctica del sistema. En consecuencia, el MAC ha sido diseñado para ofrecer flexibilidad y para incorporar estas nuevas ideas.

En primer lugar, la inicialización y la entrada a la red; siempre que una CPE se enciende, lo primero que hace es escanear todos los canales de televisión. Seguidamente, realiza un mapa de ocupación del espectro, en donde se identifica en cada canal si hay usuarios legítimos o no. Esta información es enviada a la BS y usada por la CPE para determinar que canales están vacíos y, a partir de ahí, usar esos canales vacantes para buscar transmisiones.

MEDICION DEL ESPECTRO

La red WRAM debe asegurarse de no causar ninguna interferencia sobre los otros servicios ya que al utilizar un espectro compartido se pueden generar dos o más transmisiones simultáneas por el mismo canal causando así la pérdida de información y el mal funcionamiento de las redes WRAM y las redes vecinas que utilizan ese mismo espectro.

La estación base es la encargada de tomar la decisión sobre los canales que están ocupados, esto lo hace con la información recopilada por los equipos CPE, de esta manera las estaciones bases se encargaran de mirar cuales canales están ocupados y si se pueden ser utilizados para las trasmisiones.

La realizan los CPE realiza las mediciones de dos formas:

•En la detección del espectro de la banda: Se aplica a los canales que están siendo utilizados actualmente por la estación base(BS) para comunicarse con los CPEs, para esto la estación base silencia periódicamente el canal y los CPE realizan la respectiva detección, La BS puede indicar diferentes CPEs para hacer diferentes mediciones. La elección de cómo se hace esto, se hace por la BS y se calcula por los algoritmos que esta contiene.

Dentro de esta se tiene dos formas diferentes de implementarla:

-Detección rápida: típicamente utiliza un sencillo algoritmo de detección de energía y se completa en 1 ms. Los resultados de la detección rápida se devuelven a la BS que a continuación, los analiza y determina si se requiere un sensor de medición fina.

-Detección fina: El procedimiento de detección fina se lleva a cabo si la BS cree que hay necesidad de una medición más precisa. Esta forma de espectro de detección tarda alrededor de 25 ms.

•Fuera de detección del espectro de la banda: se refiere a los canales que no están siendo utilizados actualmente por la EB para comunicarse con los CPEs. Estas mediciones se realizan para localizar posibles canales alternativos.

Seguridad en WRAN

Y en lo que respecta a seguridad, este es un importante aspecto de la comunicación que busca proteger los recursos de la red de distintas amenazas.

El protocolo IEEE 802.22 Incorpora mecanismos de seguridad que impidan la intrusión en la comunicación, con protocolos de cifrado fuerte con 3DES y AES de 128 y 192 bits respectivamente, así como el empleo de certificados X.509 para autenticar y evitar suplantaciones del usuario final.

También, a nivel de acceso al medio, cuenta con protocolos de seguridad con la que proteger la privacidad de la conexión, por lo que es un estándar que está lo suficientemente preparado para responder a las exigencias de seguridad que se dan actualmente.