Aplicacion de la tecnologia de acceso WiMAX
en entornos maritimos costeros
INTRODUCCION
WiMAX es una nueva tecnologia inalambrica enfocada a la creacion de redes de area metropolitana; definida
bajo el grupo de estandares IEEE 802.16.
El creciente interes que despierta WiMAX entre los distintos agentes involucrados en el mundo de las Tecnologias de la Informacion y Comunicaciones (TIC), esta cimentado en las ventajas competitivas, tanto de caracter economico como de prestaciones, que presenta esta tecnologia de acceso radio frente a otras alternativas actualmente implantadas. Entre estas ventajas competitivas estan, entre otras, la versatilidad, ancho de banda proporcionado en comparacion con otras tecnologías de acceso (WiFi, xDSL, etc), y la alternativa efectiva en coste para el acceso a servicios de banda ancha.
Desgraciadamente, debido al incipiente desarrollo de
WiMAX, no hay disponibles todos los estudios y pruebas de campo que serian deseables de cara a la validacion de resultados teoricos y a la aplicacion de esta tecnologia a proyectos innovadores.
Entre las aplicaciones innovadoras a las que se hacia referencia anteriormente, esta la aplicacion de WiMAX al sector maritimo, ya que una de las mas crecientes demandas de la industria naval es la necesidad de disponer de comunicaciones de banda ancha fiables, robustas y
economicamente competitivas. Las tecnologias tradicionales que utilizan la banda de HF presentan problemas de escaso ancho de banda; mientras que tecnologias de acceso móvil celular 2G y 3G, no son suficientes para cubrir las necesidades actuales en estos escenarios debido, fundamentalmente, a la alta latencia en las conexiones y las limitaciones de alcance.
Otras tecnologias de acceso alternativas, como la via satelite, presenta limitaciones economicas asociadas al elevado coste de los equipos y del servicio.
La literatura existente en torno a esta tematica es muy escasa debido, fundamentalmente, al caracter incipiente e innovador de la tecnologia WiMAX. Asi, es preciso realizar una serie de tests y pruebas de campo para verificar y validar el funcionamiento de una red basada en esta tecnologia en un entorno hostil, donde los terminales de usuario se encuentran en el mar, sometidos a oscilaciones y, en su caso, a movimientos respecto a las estaciones base. Se analizara el efecto que, sobre el rendimiento del radioenlace, tienen la
combinacion de las condiciones ambientales especificas del entorno maritimo (niebla, gases atmosfericos de vapor de agua y de oxigeno, reflexiones en la superficie del mar, brisa marina, conductos formados por la evaporacion del agua de mar, etc) a las frecuencias de interes que las fijaremos en las bandas libres de 2,5 y 5 Ghz y en la banda con licencia de 3,5 Ghz.
El estudio se centra en escenarios maritimos cercanos a la costa (distancias inferiores a 30 millas nauticas), puesto que es ahi donde se concrentra un mayor numero de usuarios potenciales.
PROPAGACION EN ENTORNOS MARITIMOS
Para el modelado teorico de la propagacion radioeléctrica en entornos maritimos partiremos de la base de un escenario de propagacion LOS. Este escenario se rige por la ecuacion:
Pr = Pt - Lp + Gt + Gr - Lt – Lr donde
Pt = Potencia del transmisor (dBm o dBW).
Lp = Perdidas por propagacion en espacio libre entre antenas isotropicas (dB).
Gt = Ganancia de la antena de transmision (dBi).
Gr = Ganancia de la antena de recepcion (dBi).
Lt = Perdidas de la linea de transmision entre el transmisor y la antena transmisora (dBi).
Lr = Perdidas de la linea de transmision entre la antena receptora y el receptor (dBi).
A esta ecuacion habra que anadirle las efectos ocasionadas por la refraccion atmosferica, la difraccion producida por objetos proximos al trayecto directo de propagacion y la
reflexion ocasionada por objetos tanto proximos como lejanos al trayecto directo.
Tambien se debe tener en cuenta los efectos de los agentes meteorologicos que, segun la frecuencia utilizada, tendran un efecto mas o menos acusado. Los principales agentes que hay que tener en cuenta en este escenario son los siguientes:
· Lluvia: las ondas de radio que se propagan a traves de una region de lluvia se atenuan como consecuencia de la absorcion de potencia que se produce en un medio dielectrico con perdidas como es el agua. Adicionalmente, tambien se producen perdidas sobre la onda transmitida debido a la dispersion de parte de la energia del haz que provocan las gotas de lluvia. No obstante, la atenuacion por dispersion es generalmente reducida en comparacion con las perdidas por absorcion. Las perdidas por precipitaciones se puedes caracterizar por la ecuacion:
A(dB/km) = a R b
Donde
R = tasa de lluvia en mm/h.
Y donde a y b son constantes que dependen de la frecuencia y de la temperatura de la lluvia.
En la siguiente grafica se pueden observar la atenuacion de la lluvia en funcion de la tasa de precipitacion para distintas frecuencias:
Gráfica 1: Atenuación por lluvia en función de la tasa de
precipitación y para distintas frecuencias.
· Niebla: La atenuacion por niebla de las microondas y de las ondas milimetricas esta gobernada por las mismas ecuaciones que en el caso de la lluvia. La principal diferencia es que la niebla puede modelarse como un conjunto de gotas de agua muy pequenas en suspension con radios variables entre 0,01 y 0,05
mm. Para frecuencias por debajo de 300 GHz la atenuacion producida por la niebla es linealmente proporcional al contenido total de agua por unidad de volumen para cada frecuencia. En la figura se representa la atenuacion por niebla en dB/km en funcion de la frecuencia y para las dos concentraciones indicadas anteriormente. Para una frecuencia de 100 GHz, la atenuacion en el caso de niebla densa es de tan solo 1 dB/km. Por lo tanto, en el diseno de radioenlaces con suficiente margen de senal para evitar la atenuacion por lluvia, la niebla no constituira un factor de limitacion.
Figura 2: atenuación niebla en función de la frecuencia
· Nieve: La atenuacion de las microondas al atravesa nieve "seca" es al menos un orden de magnitud inferior que para la lluvia considerando la misma tasa de precipitacion. No obstante, la atenuacion para la nieve "humeda" es comparable a la de la lluvia e incluso superior en la banda de frecuencias milimetricas. Medidas experimentales han mostrado valores de atenuacion en torno a 2 dB/km para 35 GHz y una tasa de precipitacion de 5 mm/h. Para nieve "seca" la atenuacion es dos ordenes de magnitud inferior. Debido a la gran cantidad de variables involucradas, en particular el contenido de agua relativo, resulta dificil especificar la atenuación en funcion de la tasa de precipitacion de una forma simple.
Ademas de los mecanismos mencionados anteriormente existen otros, exclusivamente asociados a la propagacion en un entorno maritimo, que se deben tener en cuenta a la hora de predecir el campo recibido en un receptor situado en el mar. Estos son:
· Atenuacion por gases atmosfericos: Este es un fenomeno atmosferico que, obviamente, esta muy presente en zonas maritimas debido a la evaporación del agua del mar. Los vapores de agua y de oxigeno no condensados presentan una importante absorcion a determinadas frecuencias. Debido a esto existen frecuencias en el rango de las microondas que experimentan una fuerte atenuacion frente a otras que no acusan tanto este efecto ademas, la atenuación producida por estos gases atmasfericos es aditiva.
Como se puede observar en la siguiente grafica por debajo de los 15 Ghz la atenuacion introducida es despreciable (mucho menor que 1 dB/Km).
Figura 2: atenuación por gases atmosféricos en función de la
Frecuencia
· Conductos por evaporacion de agua: debido a la evaporacion del agua de la superficie marina, existe a menudo una region sobre esta donde se produce un rapido cambio de la humedad, el cual causa una variacion descendente del indice de refraccion con la altura mas acusado de lo normal. A esta region se le denominaconducto, y este cambio en el indice de refraccion puede provocar que las ondas que viajan dentro del conducto describan una curva hacia la superficie terrestre en donde se reflejaran, produciendose un efecto guia onda que puede llevar a alcanzar unas distancias de propagacion mucho mayores con respecto a los mecanismos de propagacion normal de la onda. La efectividad de conducto aumenta asi como aumenta la frecuencia hasta llegar en torno a los 10.5 Ghz, a partir de la cual comienza a disminuir. Ademas de la frecuencia, la efectividad tambien dependera de la altura de la antena transmisora, para facilitar que la onda sea atrapada por el conducto, de la receptora, para captar la senal, y de variaciones meteorologicas y estacionales; los conductos por evaporacion pueden manifestarse durante dias.
· Brisa marina: La brisa marina varia las condiciones de refractividad de la atmosfera, estas variaciones llevan a una modificacion del trayecto de las ondas propagadas, lo que afecta a la calidad de los radioenlaces (multitrayecto, variacion del alcance, etc). La brisa marina es un fenomeno local, su patron de intensidad es diferente en cada localizacion a causa de las diferencias de latitud, temperatura, topografia y otras circunstancias. Como en este documento se quieren determinar los efectos de las condiciones atmosfericas sobre la propagacion, tomaremos como despreciables las perdidas por difraccion y reflexion frente a los primeros. Esta suposicion es asumible ya que se puede entender que el trayecto sobre el mar transcurrirá mas o menos libre de obstaculos.
ESCENARIO DE PRUEBAS
A) Ubicación
El escenario de pruebas escogido es la ria de Vigo (Pontevedra), situada las Rías Baixas gallegas en Espana (ubicacion 42o 13' N 8o 49' O).
Entre las diferentes motivaciones que hacen de este un escenario adecuado para este proyecto, cabe destacar que el puerto de Vigo es uno de los puertos pesqueros mas importantes del mundo, en donde se mezclan actividades de pesca de altura con la explotacion de la ria por parte de la flota de bajura de los distintos puertos correspondientes a las demás poblaciones que comparten la costa de la Ria de Vigo. Unido a este marcado caracter economico en el sector primario, el puerto de Vigo es un referente para la escala de los mas importantes transatlanticos y desde hace unos anos se esta experimentando un gran auge de la navegacion de recreo, reflejada en el extraordinario aumento del numero de embarcaciones de este tipo y el desarrollo de puertos deportivos para dar cabida a dicho aumento.
Por todos los motivos anteriormente expuestos, se puede entender que el escenario escogido pasa por ser una
localizacion adecuada para realizar los casos de pruebas que se presentan debido a que, en una misma ubicacion, se conjugan diferentes actividades navales que precisan de un variado tipo de aplicaciones de telecomunicacion y que incumben a diferentes sectores economicos.
En la realizacion de las pruebas se ha utilizado equipamiento de acceso del fabricante israeli Alvarion. Esta empresa presenta una de las mayores cuotas de penetracion en el mercado, estando desplegadas en mas de 150 paises tanto por operadores como por empresas privadas y organizaciones.
En nuestro caso utilizaremos equipamiento de la banda de uso libre situada en los 5.4Ghz, empleando dos antenas punto a punto.
B) Equipamiento hardware: radioenlace BreezeNET B14 La familia de productos BreezeNET B esta pensada
especificamente para entornos NLOS y con dificultades climatologicas severas, permitiendo disponer de una solución punto a punto de alta velocidad (hasta 7 Mbps de trafico neto) en un entorno seguro y eficiente en costes, tanto para radioenlaces de operadores como para conectividad entre edificios. El estandar WiMAX fija un alcance maximo de la tecnologia de 50 kilometros (existiendo ya casos de éxito documentados con este equipamiento hasta 20 kilometros) para escenarios con vision directa (LOS – Line Of Sight) y hasta algo mas que 1 kilometro en el caso de no tenerla (entornos NLOS – Non Line Of Sight). En la imagen siguiente se presenta el aspecto de la unidad externa del equipo (con la antena acoplada al mismo) y la unidad interna.
Este producto, denominado por el fabricante como equipamiento preWiMAX, comparte las características tecnologicas principales de 802.16, con las siguiente funcionalidades:
· Nivel elevado de throughput: 14 Mbps a nivel radio, con posibilidad de incrementar hasta 22Mbps mediante una actualizacion firmware.
· Arquitectura para trabajar en interiores y exteriores.
· Parametros de servicio: SNR, MIR downlink/uplink, etc...
· OFDM para asegurar el funcionamiento en NLOS
· Control automatico de potencia y modulacion
· Encriptacion y autentificacion 128 bits con AES y WEP.
El equipo se encuentra disponible con antenas integradas de 21 dBi, 28 dBi y 32 dBi, obtandose por las primeras para esta prueba, donde los casos de exito alcanzaban solo los 20 km. con vision directa. Para el caso de la antena con 32dBi, se habla de enlaces hasta 45 km en entornos LOS.
Para las pruebas realizadas desde una embarcacion, se instalo la unidad interna en la cabina de mando y la antena planar se ubico en el palo mayor de la embarcacion, a una altura de 3m desde la linea de flotacion; asi como en la propia linea de flotacion, a efectos de considerar la influencia de la altura en el enlace.
C) Herramientas Software
Para la realizacion de las pruebas se han utilizado tres ordenadores portatiles corriendo el sistema operativo Linux, dos de ellos realizando tareas cliente/servidor y un tercero monitorizando del trafico en el enlace de forma no intrusiva, mediante consultas SNMP.
A efectos de comprobar el funcionamiento del enlace antes distintos tipos de trafico IP, se instalaron en los ordenadores portatiles diversos servidores (web, ftp, VoIP, video streaming...) para establecer, de forma simultanea, sesiones de transferencia con distintos protocolos (SIP, FTP, HTTP,
H.263, etc…) tanto en trafico TCP como UDP. Asimismo, se dispusieron patrones de trafico aleatorio utilizando herramientas de codigo abierto tales como SIPP (para generacion de conexiones SIP) o IPERF (para medicion de retardo y jitter).
IV.RESULTADOS
De cara a determinar el efecto de los condicionantes
meteorologicos sobre la tasa binaria susceptible de utilizarse para la comunicacion punto a punto en una red IP sobre ethernet, se procede a la descarga de un fichero remoto mediante el protocolo HTTP. De este modo se podran analizar la limitaciones impuestas, en cada caso, al ancho de banda disponible para la comunicacion.
A) Escenario 1:
El proposito de este caso de prueba es el analisis del efecto real que, sobre el rendimiento de un radioenlace fijo constituido por antenas a poca altura sobre el nivel del mar (3m), tienen la conbinacion de las situaciones desfavorables de proximidad del mar (debido a la atenuación que sobre la propagacion a frecuencias de microondas introduce los gases atmosfericos de vapor de agua y de oxigeno), de niebla (debido a la absorcion de potencia por parte de las gotas de agua en suspension) y el posible efecto de la conductos de evaporacion y de la brisa marina.
La distancia entre ambos emplazamientos es de aproximadamente 11 Km, con la practica totalidad del trayecto del vano transcurriendo directamente sobre el mar. En la siguientes figuras se pueden apreciar la ubicacion de los extremos del radioenlace asi como las condiciones de visibilidad.
Las condiciones climaticas (en concreto la presencia de niebla que impedia la vision del otro extremo y las altas temperaturas que favorecian la presencia de vapor de agua por evaporacion de agua marina) y la situacion a nivel del mar de ambos extremos eran propicias para la extraccion de conclusiones.
Para este caso de pruebas, se obtiene una SNR media en recepcion de 23 dB con ligeras variaciones sobre dicho valor. En la siguiente grafica se puede observar que, la tasa binaria disponible, a nivel Ethernet, se situa alrededor 7 Mbps que se corresponde con la nominal anunciada para estos equipos.
En este caso, como teoricamente se habia supuesto, los efectos de niebla y gases atmosfericos no son determinantes a estas frecuencias. Ademas no se advierten limitaciones introducidas por conductos o por la brisa marina. Los desvanecimientos que se aprecian hacia la mitad del experimento son debidos a cambios realizados en el apuntamiento (variacion en azimuth), y que provocaron una disminucion en la tasa neta de transferencia de unos 2Mbps, sin llegar a perderse la conexion.
Estos resultados demuestran la idoniedad de esta tecnología para el despliegue de radioenlaces fijos de banda ancha en trayectos sobre la superficie del mar.
B) Escenario 2
El proposito de este caso de prueba es el mismo analisis que el anterior, pero en una ubicacion distinta. De esta manera, se busca repetir las pruebas en otro lugar geografico distinto dada la dependencia que, entre otros factores, tienen la formación de conductos por evaporacion y la brisa marina de la ubicacion. En la siguiente figura se puede apreciar la ubicacion de los extremos del radioenlace (extremo izquierdo en la playa de Cangas, extremo derecho en la darsena del Puerto de Vigo).
La distancia entre ambos emplazamientos es de aproximadamente 5 Km, con la practica totalidad del vano sobre la superficie del mar.
Para este caso de pruebas, se obtiene una SNR media en recepcion de 32 dB, con pocas variaciones sobre dicho valor.
En la siguiente grafica se puede observar que el throughput neto se situa alrededor de los 7 Mbps, que se correponde con la nominal anunciada por el fabricante para estos equipos.
Por lo tanto se obtienen unos resultados similares al primer caso, a pesar de ser un entorno a priori menos hostil. Obviamente tenemos un valor superior de SNR recibida, debido a la disminucion de la distancia del vano.
C) Escenario 3
El proposito de este caso de prueba es el analisis del rendimiento del radioenlace en un escenario donde la base esta fija en tierra y el terminal de usuario esta ubicado en una embarcacion. Por lo tanto, ademas de los efectos meteorologicos, se incluyen nuevos factores influyentes en la calidad del radioenlace como son: la movilidad del receptor respecto a la base y el efecto del oleaje, que varia la dirección de apuntamiento de la antena receptora y que eventualmente puede evitar la vision directa del transmisor. Para este caso de pruebas se obtiene en el tramo mas alejado, como era de esperar, una drastica disminucion de la SNR en recepcion, con un valor medio de unos 5 dB. Ademas se observan, a lo largo de todo el trayecto descrito por la embarcacion, rapidas fluctuaciones sobre el valor medio registrado. Estas fluctuaciones responden al movimiento que el oleaje produce en la embarcacion y que hacen variar la direccion de apuntamiento de la antena (puesto que se empleo una antena directiva).
Como se puede observar, aun con fuertes variaciones, se mantiene una tasa binaria de transferencia que permiten, mediante la tecnologia WiMAX, la prestacion de servicios banda ancha a clientes moviles en entornos maritimos, a lo menos en zonas costeras.
Hay que resaltar que estos resultados se obtuvieron para una unica estacion base, con lo que las prestaciones a usuarios moviles mejorarian en el caso de la implantacion de una red de estaciones base costeras.
V.APLICACIONES Y SERVICIOS
Habitualmente, cuando se habla de tecnologias de acceso de ultima milla, se presupone que se trata de acceso terrestre, cuando esta definicion es perfectamente aplicable al entorno maritimo, donde coexisten multiples usuarios potenciales. Mas concretamente, las comunicaciones maritimas son una industria que represento, en el pasado ejercicio, un volumen de negocio a nivel mundial de mas de un billon de dolares, englobando a empresas de transporte y flete maritimo, operadores de rutas maritimas, servicios aduaneros, pesca de altura y bajura o embarcaciones de recreo. Aunque este estudio se limita al entorno maritimo mas proximo a la costa, es un hecho patente que una de las mas crecientes demandas en la industria maritima son las comunicaciones inalambricas de banda ancha, gracias en buena medida a la popularizacion de la red Internet y los servicios que brinda a los usuarios. Si bien en las comunicaciones maritimas de alta mar la principal tecnologia de acceso es via satelite, en los sistemas actuales de comunicacion maritima costera se trabaja con tecnologias radio en HF y fundamentalmente en V/UHF. En este entornos, los sistemas tradicionales de radiocomunicación se caracterizan por emplear modulaciones analogicas de baja eficiencia espectral, con acceso half-duplex, poco ancho de banda (cientos de Kpbs) y de dificil integracion con dispositivos IP de nueva generacion. De esta manera, buena parte de los servicios de envio de boletines metereologicos, consulta de cartas nauticas, avisos, senalizacion de emergencia, etc… estan basados en sistemas analógicos defuncionalidades limitadas.
Por las caracteristicas de cobertura y capacidad que presenta esta tecnologia de acceso y que han sido analizadas en este estudio, asi como por la caracteristica "todo IP" que caracteriza a una red de este tipo, son varias las aplicaciones que podria tener la tecnologia de acceso WiMAX en su aplicacion en la ultima milla maritima:
· Provisión de acceso a internet de banda ancha: la
killer-application de la tecnologia WiMAX en este entorno es sin duda la provision de acceso a internet. Asi, se abre un potencial modelo de negocio para operadores de acceso a internet inalámbricos (WISP's) especializados en acceso maritimo. De este modo, con una red de estaciones base costeras con tecnologia WiMAX, es factible proveer acceso a Internet de banda ancha a usuarios "fijos" ubicados en la zona de cobertura proxima a la costa.
De igual modo, es factible la provision de servicios de telefonia IP, sustituyendo y mejorando los sistemas actuales de radiotelefonia (shore-to-ship calling) actualmente dependientes de una entidad portuaria y de escasa privacidad.
· Telecontrol, telemedida y telemando: los sistemas actuales de telecontrol, telemedida y telemando
podrian sustituir sus accesos, tradicionalmente basados en modems FSK en la banda de 400Mz y con velocidades maxima de 9600bps, podrian mejorar su capacidad de comunicacion.
· Videovigilancia: toda vez que se dispone de una red inalambrica de banda ancha, con garantias de servicio y baja latencia, se puede considerar la instalacion de camaras de videovigilancia en puntos estratégicos situados en el mar (balizas, radiofaros, molinos de viento marinos, islas, etc…). En este sentido, existen varios casos de exito en la zona del Levante espanol, para monitorizacion de camaras IP y sensores en instalaciones de energia solar en el mar.
· Cobertura de regatas y eventos deportivos: las regatas maritimas presentan una alta demanda de ancho de banda, tanto por motivos de seguridad (telemetria, posicionamiento, etc…) como para ocio (camaras embarcadas, conexiones en directo, etc…).
Asimismo, en combinacion con sistemas de posicionamiento, se pueden mejorar los servicios de telemetria, para transmitir en tiempo real la ubicación de los barcos y realizar una representacion grafica de la misma. En este sentido, cabe resenar una experiencia piloto celebrada en la pasada regata "Desafio Audi" en Sanxenxo (Pontevedra), donde se consiguio transmitir video en IP codificado directamente desde el campo de regatas.
· Establecimiento de 'hot-spots' marítimos: de forma similar a los hot-spots Wifi, es factible la creacion de una red inalambrica de banda ancha para el uso exclusivo por parte de una empresa u organismo, tanto para la comunicacion barco-costa, costa-barco o barco-barco. Este ultimo caso puede ser de aplicación en estructuras flotantes en la costa o en alta mar, tales como plataformas petroliferas o parques eólicos maritimos, donde se podrian crear una amplia zona de cobertura inalambrica para uso privado
Albany Zambrano CI. 18089080.
CAF
Menor precio en el equipamiento para proveedores de servicio y operadores, lo que permite a los operadores poner en marcha redes inalámbricas ya sea en banda libre o licenciada, para suministrar servicios en áreas en las que el despliegue con anterioridad ha sido inviable por cuestiones económicas.
