estudio comparativo del estandar ultrawide band (uwb) frente a

INDICE.
Índice de contenidos.
02
Índice de figuras.
06
Índice de tablas.
09
Resumen – abstract
10
Introducción.
11
Capítulo I: Ultrawide band (UWB).
12
1.1 Descripción general.
12
Marco teórico.
1.2 Definiciones y conceptos.
¿Qué es UWB?
1.3 El estándar IEEE 802.15.3
12
15
15
16
Estándares presentes en la tecnología UWB.
16
Estado actual de UWB en la FCC.
16
FCC inicios.
16
Grupo de trabajo 802.15
16
Introducción al 802.15.3
17
Características principales.
18
Principales aplicaciones.
18
Características del MAC 802.15.3
18
Capacidades de seguridad.
19
Estructura superframe.
19
Calidad de servicio. (QoS)
19
La capa física. (PHY)
20
El IEEE 802.15.1A
20
Estado actual del IEEE 802.15.3ª
21
Comparación de desempeño en una OFDM vs DS-SS IR
23
Impulsos de radio (IR) vs Multibandas UWB.
24
1.4 Principio de funcionamiento.
25
Características técnicas.
26
1.5 Señales UWB.
Generación de la señal DS-UWB.
28
28
2
Banda de operación de DS-UWB.
28
Tasa de datos soportados.
29
Espectro de frecuencias.
30
Canalización o múltiples picoredes con UWB.
31
Compartición del canal RF en UWB.
31
Impulsos, transmisión de información sin portadora.
31
TH, time hopping.
34
DSSS, direct Secuence spread spectrum.
37
MB-OFDM transmisión de información con portadora.
38
1.6 Antenas UWB.
Máscaras de emisión.
1.7 Opciones de transporte para señales UWB.
42
43
44
Xtreme spectrum, Motorola y parthus-cerva (DS-CDMA)
44
Intel y Texas Instruments (OFDM multibanda)
44
1.8 Características.
46
Facilidades y características de UWB.
46
Alta velocidad de transmisión de datos.
46
Bajo consumo.
46
Inmunidad a la interferencia.
46
Alta seguridad.
47
Rango razonable.
47
De baja complejidad y costo.
47
1.9 Áreas de aplicación.
48
1.10 Soluciones similares.
52
A pulse link cware technology.
52
UROOF.
52
1.11 Observaciones.
54
1.12 UWB Forum.
55
1.13 Estado actual.
56
Situación internacional.
57
Situación en Chile.
58
Capítulo II: Zigbee.
60
3
2.1 ¿Qué es?
60
2.2 Estándar IEEE 802.15.4.
60
2.3 Usos.
61
2.4 Características.
62
2.5 Estructura.
63
2.6 Dispositivos.
64
2.7 Protocolos.
65
2.8 Hardware y software.
66
2.9 Conexión.
68
Topología.
68
LR-WPAN de dispositivos de arquitectura.
69
Tipos de tráficos.
69
Estrategias de conexión.
70
Comunicación y descubrimiento de dispositivos.
70
2.10 Modulación.
72
Técnicas.
72
Modulación OQPSK.
72
Modulación BPSK.
72
2.11 Seguridad.
73
Modelo básico de seguridad.
73
Arquitectura de seguridad.
73
2.12 Futuro Zigbee.
Capítulo III: Bluetooth.
74
75
3.1 Generalidades.
75
3.2 Arquitectura bluetooth.
76
3.3 Topología de conexión de la WPAN bluetooth.
77
Picored.
77
Redes scatternet WPAN bluetooth.
78
Bluetooth Stack.
79
Capa física PHY.
80
3.4 Arquitectura de radio.
81
3.5 Especificaciones banda base.
83
4
3.6 Interfase de control.
90
3.7 IEEE comparación bluetooth.
91
Capítulo IV: Comparaciones.
92
4.1 Canales de radio.
93
4.2 Mecanismo de coherencia.
93
4.3 Tamaño de la red.
93
4.4 Seguridad.
93
4.5 Tiempo de transmisión.
94
4.6 Eficiencia en codificación de datos.
95
4.7 Consumo de energía.
96
Capitulo V: Ventajas y desventajas.
98
5.1 Ultrawide band.
98
5.2 Bluetooth.
99
5.3 Zigbee.
100
Capítulo VI: Aplicaciones comerciales.
101
6.1 Dispositivos UWB.
101
6.2 Aplicaciones UWB.
104
6.3 Empresas en Chile que utilizan UWB.
105
6.4 Dispositivos Zigbee.
106
6.5 Dispositivos Bluetooth.
108
Conclusiones.
110
Bibliografía.
112
5
ÍNDICE DE FIGURAS.
Figura 1.1:
Estructura en el tiempo de las Superframes.
19
Figura 1.2:
Sistema de comunicación UWB.
25
Figura 1.3:
Diagrama en bloques del sistema UWB.
27
Figura 1.4:
Flujo de señales en UWB.
27
Figura 1.5:
Bandas de operación DS-UWB.
28
Figura 1.6:
Diagrama en bloques del transmisor UWB.
29
Figura 1.7:
Esquema de uso del espectro en estudio en la FCC.
30
Figura 1.8:
Espectro de frecuencias para la multibanda OFDM propuesto en el
estándar 802.15.3
31
Figura 1.9:
Sistema multibanda.
31
Figura 1.10:
Pulsos gaussianos de derivadas de orden “n” junto a la máscara
normalizada propuesta por la FCC.
33
Figura 1.11:
Modulaciones tipo PPM, PAM, OOK y Biphase.
34
Figura 1.12:
Caracterización time hopping.
35
Figura 1.13:
Spectrum of a PPM signal with time hopping sequence.
35
Figura 1.14:
Espectro TH-PPM sin o con aleatorizacion de polaridad.
36
Figura 1.15:
Pulso gaussiano combinado mediante la 7ª y 14ª derivadas del
modelo MUI.
36
Figura 1.16:
Caracterización Spread spectrum.
37
Figura 1.17:
Espectro DSSS sin y con Scramble.
38
Figura 1.18:
Periodo del pulso MB- OFDM.
39
Figura 1.19:
División del espectro MB-OFDM dividido en las tres primeras
bandas.
39
Figura 1.20:
Grupo 1 del espectro MB-OFDM dividido en las tres primeras
bandas.
39
Figura 1.21:
Banda 1 del espectro modulada en OFDM.
40
Figura 1.22:
Espectro MB-OFDM práctico que cumple su máscara espectral de
emisión.
40
Figura 1.23:
Máscara de emisión indoor hasta 6 GHz, para tecnologías de: GSM
-900, GSM-1800, UMTS-200, UMTS-2600, IS-136, WiFi, Wimax,
43
6
DAB y DTV.
Figura 1.24:
PCs, interconectados a través de USB.
43
Figura 1.25:
Red inalámbrica doméstica.
50
Figura 1.26:
Características de UWB y aplicaciones comerciales y militares
relevantes.
51
Figura 1.27:
Rango de extensión para aplicaciones UWB.
53
Figura 1.28:
Resultados de la prueba realizada por OctoScope.
56
Figura 2.1:
Espacio del estándar IEEE.802.15.4
60
Figura 2.2:
Arquitectura Zigbee basada en el modelo OSI.
63
Figura 2.3:
Bandas de operación de frecuencia.
67
Figura 2.4:
Tipos de topología.
68
Figura 2.5:
Arquitectura LR-WPAN dispositivo.
69
Figura 3.1:
Arquitectura bluetooth basada en modelo OSI.
76
Figura 3.2:
Transporte de información.
77
Figura 3.3:
Scatternet.
78
Figura 3.4:
Bluetooth Stack.
79
Figura 3.5:
Capas del modelo OSI.
80
Figura 3.6:
Formato estándar de paquetes del modo de transferencia básica.
81
Figura 3.7:
Formato estándar de paquetes para la transferencia de datos mejorada.
82
Figura 3.8:
Diagrama en bloques del sistema bluetooth.
83
Figura 3.9:
Ranuras y tiempo.
83
Figura 3.10:
Código de acceso.
84
Figura 3.11:
Preámbulo.
84
Figura 3.12:
Encabezamiento.
84
Figura 3.13:
Tipos de paquetes.
86
Figura 3.14:
Canales lógicos.
87
Figura 3.15:
Bitstream.
87
Figura 3.16:
Payload.
88
7
Figura 3.17:
L2CAP.
89
Figura 3.18:
Operación entre capas.
89
Figura 3.19:
Interfase de control.
90
Figura 3.20:
Mapa del concepto del protocolo IEEE 802.
91
Figura 4.1:
Comparación de transmisión tiempo versus tamaño de dato.
94
Figura 4.2:
Comparison of the data coding efficiency versus the data size.
95
Figura 4.3:
Comparación potencia consumida por cada protocolo.
97
Figura 4.4:
Comparison of the normalized energy consumption each protocol.
97
Figura 6.1
Antena chip UWB 3.1-5.2 GHz UWB.
101
Figura 6.2
Filter bandpass 3.1-4.9 Ghz UWB.
101
Figura 6.3
Filter bandpass 4 Ghz UWB.
102
Figura 6.4
441-1007-ND
102
Figura 6.5
Kit board dev cap 9 UWB.
103
Figura 6.6
Transceiver RF UWB 56-QFN
103
Figura 6.7
Adapter UWB Dynadock W20.
104
Figura 6.8
Asus Eeekeyboard.
104
Figura 6.9
Leio.
105
Figura 6.10
ATx mega 128A3.
106
Figura 6.11
Xbee 1mW Chip antena.
106
Figura 6.12
Xbee Explorer regulated.
106
Figura 6.13
Xbee Explorer serial.
107
Figura 6.14
Xbee pro 900 RPSMA
107
Figura 6.15
Arduino bluetooth.
108
Figura 6.16
Bluetooth dip module.
109
Figura 6.17
Transmisor Bluetooth.
109
8
INDICE DE TABLAS.
Tabla 1.1:
Límite de emisiones de UWB bajo techo.
16
Tabla 1.2:
Requerimientos técnicos de una capa física para WPAN con UWB.
21
Tabla 1.3:
Descripción de la propuesta TI para la capa física OFDM,
multibanda.
22
Tabla 1.4:
Propuesta de Xtreme spectrum para UWB.
23
Tabla 1.5:
Tasa de datos soportados por DS-UWB.
29
Tabla 1.6:
Espectro ensanchado para impulsos de radio en banda dual.
31
Tabla 2.1:
Banda de frecuencia y rango de datos.
66
Tabla 3.1:
Banda de frecuencia y organización de canales.
81
Tabla 3.2:
Características de transmisión.
81
Tabla 3.3:
Voice codecs.
88
Tabla 4.1:
Comparación de parámetros entre UWB, Bluetooth y Zigbee.
93
Tabla 4.2:
Typical System parameters of the wireless protocols.
97
9
RESUMEN.
Ultrawide band, Bluetooth y Zigbee, son estándares de corto alcance para
comunicaciones inalámbricas de bajo consumo. Desde el punto de vista de aplicación, Bluetooth
está destinado a mouse, teclado y auriculares manos libres, UWB es orientado a la multimedia de
alto ancho de banda de enlaces, ZigBee está diseñado para el seguimiento fiable de forma
inalámbrica en red y el control redes. En este trabajo de tesis, se ofrece un estudio
de estos populares estándares inalámbricos de comunicación, la evaluación de sus principales
características y comportamientos en términos de métricas diferentes, incluyendo la transmisión
tiempo, los datos de eficacia de la codificación, la complejidad y el consumo de energía.
La comparación que se presenta en este documento, beneficia a ingenieros en la selección de un
protocolo apropiado.
ABSTRACT.
Ultrawide band, Bluetooth y Zigbee, is standards for short range wireless communications
with low power consumption. From an application point of view, Bluetooth is intended for a cordless
mouse, keyboard, and hands-free headset, UWB is oriented to high-bandwidth multimedia links,
ZigBee is designed for reliable wirelessly networked monitoring and control networks. In this thesis,
is provide a study of these popular wireless communication standards, evaluating their main
features and behaviors in terms of various metrics, including the transmission time, data coding
efficiency, complexity, and power consumption. The comparison presented in this paper would
benefit application engineers in selecting an appropriate protocol.
10
INTRODUCCION.
Tradicionalmente se han utilizado cables de propósito específico para interconectar aparatos
personales. Por lo que fue indispensable el desarrollo de soluciones para la interconexión de aparatos
en forma inalámbrica. Es así como nació la necesidad de crear una forma eficiente, rápida y confiable
de hacer transiciones de información de forma inalámbrica. Dichas soluciones se basan en el concepto
de WPAN.
La característica principal de este tipo de redes es que enfocan sus sistemas de comunicaciones a
un área típica de 10 metros a la redonda que envuelve a una persona o algún dispositivo ya sea que
este en movimiento o no. A diferencia de las redes de área local (WLAN), una conexión echa a través
de una WPAN involucra a muy poca o nula infraestructura o conexiones directas hacia el mundo
exterior.
Para satisfacer las diferentes necesidades de comunicación dentro de un área personal la IEEE se
divide en grupos de trabajo, que se encargan del desarrollo de estándares.
El grupo de trabajo IEEE 802.15 ha definido tres clases de WPANs que se diferencian por su rango
de datos, consumo de energía y calidad de servicio (QoS).
El grupo de trabajo 802.15.1 realiza el estándar basado en las especificaciones de SIG bluetooth.
El grupo de trabajo 802.15.3 realiza el estándar basado en Ultrawide band (UWB), el cual busca
ofrecer una alta velocidad de transmisión, este estándar se está diseñando para consumir poca energía
y ofrecer soluciones a bajos costos así como aplicaciones multimedia.
El grupo de trabajo 802.15.4 investiga y desarrolla la tecnología Zigbee, una solución que requiere
baja transmisión de datos y con ello una alta duración de batería.
El objetivo principal de este estudio es comparar el estándar Ultrawide con Bluetooth y Zigbee, con
el fin de conocer ventajas y desventajas de estos tres estándares, lo cual puede ser clave a la hora de
buscar una solución conveniente para interconectar algún tipo de dispositivo.
11
CAPITULO 1: ULTRAWIDE BAND.
1.1 DESCRIPCION GENERAL:
Ultra Wideband (UWB) es un revolucionario estándar inalámbrico para la transmisión de
datos en forma digital, sobre un espectro ensanchado en bandas de frecuencias con muy baja
potencia. Con esto se puede obtener una alta tasa de transferencia para aplicaciones de redes
inalámbricas de área local.
UWB no puede llevar solamente cantidades enormes de datos sobre una distancia corta
con energía muy baja, sino también tiene la capacidad de llevar señales a través de obstáculos
que tienden a reflejar señales en anchos de banda más limitados y una energía más alta.
UWB, también es conocida como: tecnología de comunicaciones no sinusoidales, impulso
de radar, radar de penetración en tierra, radio impulso, tecnología de pulso de banda base, entre
otras designaciones. UWB permite que un sistema opere a través de un rango de bandas de
frecuencias, mientras no interfiera con los sistemas de comunicaciones existentes. Esta restricción
se debe a que usa potencias de transmisión muy bajas, pero que aún puede mantener una alta
tasa de datos.
En sus versiones iníciales fue pensada para aplicaciones militares, pero actualmente es
implementada dentro de redes de área personal, permitiendo la transmisión de elevadas
cantidades de información entre dispositivos como monitores, televisores, impresoras,
computadores, teléfonos celulares, equipos de sonido, etc.
La tecnología UWB solo transmite sobre distancias cortas (hasta 10 metros), pero tiene
como ventaja que logra muy alto ancho de banda (hasta 480 Mbps), al tiempo de consumir poca
energía. Es ideal para la transferencia inalámbrica de contenido multimedia de alta calidad, como
videos, entre dispositivos de electrónica de consumo y periféricos de computadora.
MARCO TEORICO:
Hay muchos que se claman el honor de ser el inventor de UWB, pero, el Dr. Gerald F.
Ross, actualmente Presidente de ANRO Engineering, Inc., fue el primero que demostró la
factibilidad de usar señales UWB para aplicaciones de radar y comunicaciones entre 1960 e inicios
de 1970. El Dr. Ross fue reconocido por la Academia Nacional de Ingeniería (USA) por su esfuerzo
en los estudios sobre UWB y elegido miembro en 1995.
El origen de la tecnología Ultra Wideband (UWB) se remonta desde el tiempo de las
investigaciones relacionadas con el electromagnetismo en el dominio del tiempo las que
empezaron en 1962 para describir completamente el transiente de una cierta clase de redes de
microondas mediante sus características de respuesta al impulso.
El concepto fue en efecto más simple, en vez de caracterizar un sistema lineal invariante
en el tiempo (LTI) por medio de la convencional respuesta de frecuencia de rastreo (por ejemplo,
medidas de amplitud y fase versus frecuencia), un sistema LTI podía alternativamente ser
totalmente caracterizado por su respuesta a una excitación impulsiva. La así llamada respuesta al
impulso h (t). En particular, la salida y (t) de cada sistema para cualquier entrada arbitraria x (t)
12
podía ser determinada por la convolucion integral, como se indica en la ecuación siguiente
(ejemplo, Papoulis 1962):
Sin embargo, este estudio no fue realidad hasta la llegada del simple osciloscopio (HewlettPackard c.1962) y el desarrollo de técnicas para la generación de pulsos para subnanosegundos
(banda base), para proporcionar aproximaciones a una excitación de impulsos, donde la respuesta
al impulso de las redes de microondas podían ser observadas y medidas directamente.
Una vez que las técnicas de medidas del impulso fueron aplicadas al diseño de la banda
ancha con elementos de antenas radiantes (Ross 1968), estas técnicas rápidamente llegaron a
mostrar que los sistemas de comunicaciones y pulsos cortos de radar podían ser desarrollados con
las mismas herramientas teóricas señaladas anteriormente.
La invención de un sensible receptor de pulsos cortos (Robbins 1972) reemplaza al
osciloscopio de muestreo en el dominio del tiempo, además aceleró el desarrollo del sistema.
La FCC modifico a mediados de los 80 la regulación del espectro que gobernaba los
sistemas sin licencia. Esta modificación autorizaba la modulación en espectro ensanchado (tipo de
modulación solo permitida hasta entonces en el plano militar) a los productos utilizados en redes
inalámbricas que operan en los planos industrial, científico y medico o bandas ISM. Estas
frecuencias ISM están a lo largo de tres bandas de frecuencia, localizadas en los 900MHz (902928MHz), en 2.4GHz (2.4-2.4835GHz) definido por el estándar IEEE 802.11b y los 5GHz (5.155.35GHz y 5.725-5.825GHz) definido por el estándar IEEE 802.11a. La banda de 5 GHz es
también conocida por la banda UNII y tiene tres subbandas: UNII1 (5.150-5.250 GHz), UNII2
(5.250-5.350 GHz) y UNII3 (5.725-5.825 GHz).
Generalmente estas frecuencias permiten a usuarios de productos inalámbricos operar
sobre ellas sin necesidad, aunque puede variar dependiendo del país. Sin embargo, los productos
por si mismos deben cumplir unos requisitos que se deben certificar antes de salir a la venta, como
en EEUU que deben operar con una potencia de transmisión por debajo de 1watio o una ganancia
máxima o PIRE que no se salga de ciertos rangos.
El espectro puede utilizarse con licencia o sin licencia. La mayor ventaja de desplegar un
sistema sin licencia es que no hay que recurrir a la FCC (u órgano regulatorio equivalente) para
conseguir la licencia. Sin embargo, esto puede provocar interferencias entre los sistemas y un
empeoramiento del rendimiento de otros sistemas con licencia.
UWB difiere sustancialmente de las frecuencias estrechas de banda de radio (RF) y
tecnologías “spread spectrum” (SS), como el Bluetooth y el 802.11. UWB usa un gran ancho de
banda del espectro de RF para transmitir información. Por lo tanto, UWB es capaz de transmitir
más información en menos tiempo que las tecnologías anteriormente citadas.
Mientras que Bluetooth, WiFi, teléfonos inalámbricos y demás dispositivos de
radiofrecuencia están limitadas a frecuencias sin licencia en los 900 MHz, 2.4 GHz y 5.1 GHz,
UWB hace uso de un espectro de frecuencia recientemente legalizado. UWB puede usar
frecuencias que van desde 3.1 GHz hasta 10.6 GHz: una banda de más de 7 GHz de anchura.
Cada canal de radio tiene una anchura de más de 500 MHz, dependiendo de su frecuencia central.
13
El hecho de estar compartiendo bandas de frecuencia con otros dispositivos ha provocado
que, aunque esto les permite tener una alta productividad, han de estar relativamente cerca.
UWB es una tecnología en el rango de las PAN (personal área network). Permite paquetes
de información muy grandes (480 Mbits/s) conseguidos en distancias cortas, de unos pocos
metros.
De acuerdo a la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC), a partir del año 2002, los
dispositivos UWB para comunicaciones y sistemas de medida deben funcionar con su ancho de
banda a -10 dB en el interior del margen de frecuencias que se extiende desde 3,1 hasta 10,6 GHz
y con una densidad espectral de potencia máxima de emisión de -41,3 dBm/MHz. Debido a la
limitación de potencia impuesta por la FCC sobre las especificaciones de UWB, el alcance de estos
sistemas es bastante reducido.
No obstante, esto se convierte en una ventaja cuando se desea combinar varios
radioenlaces en un espacio relativamente pequeño. Los estándares basados en tecnología UWB
son IEEE 802.15.3a de alta tasa binaria, y el 802.15.4a de baja tasa binaria.
En los Estados Unidos, recientemente se ha aprobado la banda entre 3.1 GHz y 10.6 GHz
(7.5 GHz) para la explotación de sistemas UWB en el interior de edificios. Europa y Japón también
están desarrollando su regulación sobre UWB.
14
1.2 DEFINICIONES Y CONCEPTOS.
¿QUE ES UWB?
UWB es una tecnología inalámbrica de baja potencia, de corto alcance y alta velocidad de
transmisión de datos, que ha generado un gran interés en la comunidad de investigación y la
industria, como una alternativa de alta velocidad a los actuales tecnologías inalámbricas, tales
como IEEE 802,11 WLAN, HomeRF, y HiperLANs. Es una tecnología de Radio Frecuencia (RF),
que transmite datos binarios con bajo consumo de energía y muy corta duración o ráfagas de
impulsos (en el orden de picosegundos) a lo largo de un amplio espectro de frecuencias. Ofrece
datos a una distancia de 1 a 20 metros y no requiere una portadora de radio frecuencia, por lo que
se conoce también como libre de portadora, radio impulso o de banda base.
Aunque la tecnología es antigua, su uso y la consideración de las aplicaciones comerciales
y de creación de redes fueron tomados después de la ley de la FCC (Comisión Federal de
Comunicaciones), en febrero de 2002. Este dictamen aprobó el uso limitado de los sistemas de
acceso inalámbrico sin licencia que transmiten datos de alta velocidad a través de una amplia
porción de la banda espectral de UWB. Normas técnicas y restricciones operacionales aprobadas
por la FCC están destinadas a permitir la coexistencia de UWB con las actuales tecnologías de
radio, como IEEE 802.11 (Wi-Fi), HomeRF, y HiperLAN, entre otros. La gente comúnmente se
refieren a UWB como espectro disponible y no como una tecnología de 7500 MHz. de espectro sin
licencia. En la banda de 3.1-10.6 GHz, está disponible actualmente en los EE.UU. para cualquier
sistema de comunicación que ocupa más de 500 MHz.
El término "ultra Wideband" es relativamente nuevo para describir una tecnología la cual ha
sido conocida desde 1960 como "portadora libre", "bandabase" o “tecnología de impulso”. El
concepto básico es desarrollar, transmitir y recibir una ráfaga de radiofrecuencia (RF) de
extremadamente corta duración, típicamente desde unas pocas décimas de picosegundos (trillones
de segundos) hasta unos pocos nanosegundos (billones de segundos) de duración.
Aquellas ráfagas representan solo unos pocos ciclos de una onda portadora de RF. El
resultado de las formas de onda es de banda ancha, por lo que es difícil determinar la frecuencia
central de RF, por esto es el término de “portadora libre”.
Los métodos iniciales de generación de señal utilizada "bandabase" (i.e., no RF), fue la
excitación rápida del pulso de subida de una antena de microondas de banda ancha para generar
e irradiar la respuesta de impulso efectivo de la antena.
Algunos sistemas más modernos desarrollados por la compañía MSSI (Multispectral
Solutions, Inc), no usan grandes excitaciones de impulso directo de una antena debido a la
incapacidad de tener un adecuado control de emisiones y una aparente frecuencia central.
15
1.3 EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.3: NORMALIZACIÓN.
ESTÁNDARES PRESENTES EN LA TECNOLOGÍA UWB:
El Grupo de trabajo TG3a del IEEE (The Institute of Electrical and Electronic Engineers) ha
estado trabajando sobre el estándar 802.15 para Wireless Personal Area Networks (WPANs) “High
Rate Alternative Physical Layer (PHY) Task Group”, para definir un proyecto que proporcione un
mejoramiento a la alta velocidad de la capa física del 802.15.3, para aplicaciones que involucran
multimedia e imágenes. La tecnología UWB ha sido la tecnología elegida para aquellas
aplicaciones.
ESTADO ACTUAL DE UWB EN LA FEDERAL COMMUNICATIONS COMMISSION:
Una consulta de la FCC (Notice of Inquiry, NOI) para la tecnología Ultra Wideband fue
lanzada en Agosto 1998 para "investigar la posibilidad de permitir la operación del sistema de radio
Ultra Wideband (UWB) sobre una base NO Licenciada bajo la Parte 15 de sus reglas."
En Junio 14 de 2000 (Federal Register Volume 65, Number 115), la FCC editó una noticia
para hacer una proposición de reglas (NPRM) de acuerdo con el título "In the Matter of Revision of
Part 15 of the Commission's Rules Regarding Ultra-Wideband Transmission Systems".
FCC (INICIOS):
La inicial sensibilización de la opinión pública para UWB se produjo en febrero del 2002,
cuando la FCC asignó 7.5 GHz de espectro (de 3.1GHz. a 10.6 GHz) para el uso de dispositivos
UWB, que permite esta anteriormente clasificada tecnología militar ser comercializada, como había
sucedido con CDMA años antes. El beneficio de la señalización es su capacidad para operar en el
ruido de fondo, que permite a los dispositivos de UWB coexistir pacíficamente y compartir el
espectro con los servicios inalámbricos tradicionales. La baja potencia de transmisión autorizada
por la FCC (Tabla 1.1) reduce los enlaces a unos 10 metros limitando esta tecnología a
aplicaciones redes inalámbricas de área personal (WPAN). Si no se limitara la potencia de
transmisión, aumentaría el rango de alcance de UWB.
Rango de Frecuencias
(GHz.)
3.1-10.6
1.99-3.1
1.61-1.99
0.96-1.99
<0.96
*EIRP promedio (dBm/MHz.)
Modo
-41.3
-51.3
-53.3
-76.3
Dependiente
Intencional
No intencional
No intencional
No intencional
No intencional
Tabla1.1: Límite de emisiones de UWB bajo techo.
GRUPO DE TRABAJO 802.15:
El grupo de trabajo IEEE 802,15 desarrolló estándares para redes inalámbricas de área
personal (WPANs) de corta distancia. El grupo de trabajo 3, desarrollo el estándar IEEE 802.15.3
para ofrecer WPANs 6 de velocidades de datos de 20 Mbps a 55 Mbps para corto alcance (menos
de 10 metros). Aplicaciones inalámbricas como cine en casa, video conferencia H.323/T.120,
16
aplicaciones interactivas (tales como juegos interactivos), y la descarga de contenido (por ejemplo,
fotos, MP3, CD, películas, etc.) requieren velocidades de datos de más de 100 Mbps. IEEE
802.15.3 no fue capaz de suministrar la tasa de datos necesaria para muchas de estas
aplicaciones. En noviembre de 2001, un nuevo grupo de tareas dentro de IEEE 802.15, el grupo de
trabajo especial 3 bis (TG3a), se formó para desarrollar una capa física alternativa que podría
soportar las tasas de datos entre 110 Mbps y 480 Mbps sobre rangos menores a los 10 metros
(LAD, 2004).
Sin embargo actualmente ha sido retirado, dando la siguiente información:
“El 19 de enero de 2006 los miembros del grupo de tareas IEEE 802.15.3a (TG3a) votaron
por la retirada de la petición de autorización del proyecto de diciembre de 2002 (PAR), que inició el
desarrollo de los estándares de alta velocidad de transmisión de datos de UWB. El proceso quedo
en total estancamiento, había dos propuestas de la tecnología sobre la mesa apoyados por dos
diferentes alianzas de la industria. Uno de ellos estaba dispuesto a seguir adelante con una
propuesta conjunta, la otra no y tenia votos suficientes para bloquear el progreso. El grupo de
tareas accedió finalmente a que fuera en el mercado que decidiera. El Grupo de Trabajo acordó
que la tecnología se enfrenta a importantes obstáculos reglamentarios, además, esto no fue un
factor en la decisión, pero desde una perspectiva de las normas que, probablemente, era y es
demasiado pronto para escribir un estándar para UWB dada la reglamentación del mercado y la
incertidumbre en el mercado mundial. Si hay un esquema superviviente en algunos años y la
tecnología ha demostrado ser comercialmente viable, entonces IEEE puede volver y revisar si tiene
sentido crear un estándar IEEE” (802.15.3a task group, 2006).
El mayor logro de la IEEE 802.15.3a fue la consolidación de una PHY por 23 miembros de
UWB en dos especificaciones propuestas utilizando: Multiplexado por División de Frecuencia
Ortogonal Multibanda (OFDM-MB) UWB, con el apoyo de la WiMedia Alliance, y Direct Sequence UWB (DS-UWB), apoyado por el Foro UWB.
INTRODUCCIÓN AL 802.15.3:
El estándar IEEE 802.15.3 surgió de la necesidad de formar WPANs que fueran capaces
de transmitir datos de manera rápida, y eficiente. Para lograr esto era necesario formar un grupo de
trabajo que se encargara de desarrollar las bases para implementar este estándar. Con esto la
IEEE autoriza en diciembre de 1999 la creación del grupo de trabajo IEEE 802.15.3 quien fue el
encargado de publicar en Agosto de 2003 el primer borrador de dicho estándar, en el que se
especifican (como en todos los estándares de la familia 802.11, 802.15, 802.16, etc.) los
requerimientos en la capa física (PHY) y para el control de acceso a medios (MAC).
A principios del año 2003, con la aprobación de la FCC, para la utilización y delimitación de
un gran ancho de banda para las señales de RF denominadas ultra wide band (UWB), la IEEE
designa otro grupo de trabajo que tienen los mismos objetivos de el grupo de trabajo IEEE
802.15.3, solo que este nuevo grupo es el encargado de estandarizar el uso de las recién
aprobadas UWB. Este nuevo grupo así como su estándar son conocidos como el IEEE 802.15.3a,
los cuales se encuentran (noviembre de 2003) estudiando las propuestas de las principales
compañías interesadas en manufacturar y comercializar productos que utilicen este nuevo
estándar.
17
CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES.
El grupo de trabajo IEEE 802.15.3 se preocupo en desarrollar un estándar que fuera barato
en su implementación y en sus costos de operación, por lo que este estándar es poco complejo.
Otra razón para que sea sencillo es que mientras más simple sean los protocolos, el formato de las
tramas, la modulación, etc., de un estándar la transmisión de datos es más eficiente y por lo tanto
más rápido.
La red formada con este estándar tiene características que la hacen segura ya que cuenta
con encriptación compartida de información basada en el estándar Advanced Encryption Standard
(AES 128).
Es fácil de utilizarse e implementarse. Tiene un coordinador dinámico de selección y de
handover. No depende de una red con backbone. Además está diseñado para trabajar en un
ambiente multirutas.
PRINCIPALES APLICACIONES.
El IEEE 802.15.3 tiene muchas aplicaciones potenciales. Este estándar se puede
implementar prácticamente en “cualquier dispositivo que sea digno de utilizar un microprocesador”.
Productos tan disparatados como juguetes, termómetros, y relojes se podrían ver beneficiados con
este estándar. Por medio de una modesta cuota, los usuarios podrían actualizar sus juguetes y
hacerlos un poco más interesantes.
Las lecturas de los termómetros en un hospital se podrían recoger automáticamente por
medio de este tipo de redes y ser guardadas para tener una historia clínica detallada de la
evolución de algún paciente.
Sin embargo alguna de las aplicaciones más interesantes dentro del hogar es la
distribución de video. Con este estándar se puede implementar fácilmente una transferencia de alta
velocidad de video digital de una cámara aun dispositivo de televisión, sistemas de teatro en casa,
conexiones de una PC a un proyector, juegos de video interactivo. De igual forma se pueden hacer
transferencias de datos de alta velocidad, para conectar reproductores de mp3, impresoras,
escáners, productos personales y cámaras digitales a una computadora.
CARACTERÍSTICAS MAC DEL 802.15.3.
Este estándar tiene una topología centralizada en una conexión orientada tipo adhoc.
El dispositivo coordinador (PNC) mantienen la sincronía y el tiempo dentro de la red,
controla el ingreso de nuevos dispositivos a la red, asigna los tiempos para conexiones entre los
dispositivos 802.15.3, etc.
El tipo de comunicación entre dispositivos es peer to peer y soporta QoS multimedia; con
una arquitectura TDMA de super-tramas con GTS (Guaranteed Time Slots), además tiene técnicas
de autentificación y encriptación.
Una parte importante de este estándar es que cuenta con varios modos de ahorro de
energía (asíncronos y sincronizados). De igual forma para el ahorro de energía se busca la
simplicidad; todas las negociaciones de QoS y de control de flujo se hacen en la capa 3; el PNC
solo maneja solicitudes de tiempo en el canal.
El estándar se caracteriza por ser robusto. La selección de canales es dinámica y existe un
control de energía de transmisión por link. Otra característica que le da fuerza al estándar es el
protocolo de handover.
18
CAPACIDADES DE SEGURIDAD.
Una característica importante en este estándar es que los niveles de seguridad pueden
variar, de acuerdo a las necesidades del usuario.
El modo 0 significa que no existe seguridad.
El modo 1 permite al usuario restringir el acceso a la picored. El usuario puede especificar, de
forma externa, que dispositivos pueden formar parte de la conexión asíncrona.
El modo 2 proporciona autentificación por criptografía, protección de la información del usuario e
integración de comandos.
El modo 3 ofrece protección de la información del usuario, integridad de los datos y los comandos
así como autentificación por criptografía.
ESTRUCTURA DE SUPERFRAME.
Las estructuras de superframe consisten en tres secciones de tiempo (ver figura 1.1)
Figura1.1: Estructura en el tiempo de las Superframes.
1. Beacon; transmite información de control a toda la picored, localización de recursos (GTS) por
trama y proporciona sincronización en tiempo.
2. Período opcional de acceso a contención (CAP) (CSMA/CA); utilizado en la autentificación,
solicitud y respuesta de asociación, parámetros de flujo, negociación y demás comandos del frame.
3. Período libre de contención (CFP); formado por ranuras de tiempo unidireccionales (GTS) que
son asignadas por el dispositivo maestro, para transmisión datos de forma asíncrona o
sincronizada; de manera opcional se encuentra el Management Time Slots (MTS) en lugar del CAP
para frames de comandos.
CALIDAD DE SERVICIOS (QOS).
“Qos es típicamente definido como el estado latente requerido para saltar la inestabilidad
de una corriente continua de datos a una tasa deseada”.
El estado latente puede ser utilizado para almacenar una trama de datos para que los
efectos no determinados de la transmisión se puedan reducir.
Pequeñas cantidades de inestabilidad se pueden manejar sin consecuencias por el
dispositivo receptor.
19
Es necesario sincronizar los requerimientos adicionales puestos en sistemas en donde hay
tramas de datos múltiples, como en la distribución de audio en sistemas de teatro en casa de
múltiples bocinas.
LA CAPA FÍSICA (PHY).
El IEEE 802.15.3 trabaja en la banda libre ISM (industrial, scientific, medical) de los 2.4
GHz. El grupo de trabajo definió cinco rangos de velocidad de transmisión.
- 11, 22, 33, 44 y 55 Mb/s.
El tipo de modulación utilizada por este estándar es BPSK (o PSK), y QPSK (cuando se
transmite sin codificación de datos).
Los canales tienen un ancho de banda de 15 MHz. Con 3 o 4 canales libres de traslape (3
canales alineados con el IEEE 802.11b, para su coexistencia).
La potencia de transmisión de datos es aproximadamente de 8 dBm. Para un rango de
aproximadamente de 30 – 50 metros.
El IEEE 802.15.3 trabaja en la misma banda libre que el 802.11, pero pueden coexistir en
un mismo ambiente dado que los sistemas 802.15.3 causan menos interferencia ya que ocupan un
ancho de banda menor y transmite con menos potencia.
EL IEEE 802.15.1A.
En general los dispositivos electrónicos, aumentan sus capacidades de procesamiento y de
almacenamiento conforme avanza la tecnología. De la misma forma que sus capacidades, sus
necesidades de comunicación con otros dispositivos crece todos los días. Dado que la tecnología
es cada vez más común, es necesario que esta sea económica y eficiente, de la misma manera los
canales de comunicación deben de tener dichas características. De aquí la importancia de contar
con bandas libres en el espectro electromagnético.
Muchos GHz de ancho de banda han sido autorizados para ser trabajados sin licencia para
redes inalámbricas de área personal (WPANS) en lo que se conoce como UWB (ultra wideband) o
banda ultra ancha. Esta tecnología tiene el potencial de proporcionar altas velocidades de conexión
como nunca antes en productos para el hogar, tales como video conferencias, sistemas
inalámbricos de distribución de audio y video, nuevas aplicaciones de entretenimiento para el
hogar, computadoras sin disquetes así como aplicaciones de localización y posicionamiento en la
navegación.
El concepto de comunicaciones UWB se originaron con Marconi, en los años 1900s,
cuando los transmisores de “chispas” inducían pulsos de señales que tenían anchos de banda muy
grandes. Los transmisores de chispas creaban interferencia en la banda transmitida y no permitían
compartir el espectro, así que el mundo de las telecomunicaciones abandonó la idea de los anchos
de banda grandes para dar paso a los anchos de banda más angostos, con lo que nacieron los
radio transmisores que eran fáciles de regular y coordinar.
A mediados de la década de los 1980’s, la FCC propició un concepto totalmente nuevo de
comunicaciones por medio de anchos de banda grandes, con lo que nacieron las bandas para la
industria la ciencia y la medicina (ISM) para uso libre (sin licencia) de comunicaciones de espectro
extendido (wideband communications). “Este revolucionario espectro, es responsable del
sorprendente crecimiento en redes inalámbricas de área local (WLAN), así como de alentar a la
industria de la comunicaciones a estudiar los méritos y las implicaciones del ancho en las bandas
anchas de comunicación que han sido utilizadas anteriormente en aplicaciones comerciales”. La
teoría de Shannon-Hartley dice que la capacidad del canal crece linealmente con el ancho de
20
banda y decrece de forma logarítmica en la forma en la relación señal a ruido (SNR) disminuye.
Esta relación sugiere que la capacidad del canal se puede mejorar al incrementar el ancho de
banda utilizado, en mayor proporción que la relación señal a ruido. Por lo tanto, para WPANS que
solo transmiten sobre pequeñas distancias, en donde las pérdidas por propagación de señal es
pequeña y poco variable, se pueden lograr grandes capacidades utilizando grandes anchos de
banda.
Muchas compañías (como Xtreme Spectrum y Time Domain) argumentaron que deberían
permitirles transmitir de manera intencional sobre los límites de radiación puestos por la FCC
(mientras que algunos usuarios de otras bandas cercanas ya se les permitía transmitir de manera
accidental), sobre una UWB. El argumento de que los servicios inalámbricos de baja potencia
podía operar por debajo de los límites autorizados de emisiones y ofrecer comunicaciones
efectivas, fue la principal motivación para la FCC aprobara las UWB. Este concepto tan importante
se sigue discutiendo por la FCC y su concejo tecnológico.
ESTADO ACTUAL DEL IEEE 802.15.3A.
El grupo de trabajo IEEE 802.15.3a (también llamado “TG3a”), estableció los
requerimientos técnicos y los criterios de selección de una capa física para una WPAN, y
actualmente está discutiendo propuestas sometidas por varias compañías, como Intel, Texas
Instruments, Motorota y Xtreme Spectrum. El grupo de trabajo IEEE 802.15.3a estableció metas
enfocadas al bajo consumo de energía y bajos costos para asegurar que el estándar para una
WPAN se lograra implementar con tecnología CMOS. “Dichos requerimientos se asegurarán que la
capa física para altos rangos de transmisión propuestos por el IEEE 80 2.15.3a se puedan integrar
fácilmente en dispositivos WPAN que ya tengan capas MAC y de red implementadas con
tecnología CMOS”.
Parámetro.
Rango de datos (medidos en la PHY)
Rango
Consumo de energía.
Modos de manejo de energía.
Picoredes laterales.
Susceptibilidad a interferencia
Capacidades de coexistencia.
Costo
Actualizaciones.
Adquisición de señales.
Antena.
Valor
110,220 y 480 Mbps.
10m, 4m y por debajo.
100 mW y 250 mW.
Ahorro de energía, modo dormido, etc.
4
Sistemas robustos de la IEEE, PER <8% para
un paquete de 1024 Bytes.
Interferencia reducida de los sistemas IEEE,
potencia de interferencia promedio de por lo
menos de 6 dBm por debajo del nivel mínimo
de sensitividad.
Similar a bluetooth.
Compatible con versiones anteriores del IEEE
802.15, adaptable a varias regiones (E.E.U.U,
Europa, Japón).
< 20 µs para la adquisición desde el inicio del
preámbulo al inicio del encabezado.
El tamaño y la forma son consistentes con el
dispositivo original.
Tabla 1.2: Requerimientos técnicos de una capa física para WPAN con UWB.
El flexible estándar que desarrollará el TG3a permitirá rangos de datos de 110- 480 Mbps
(rangos de datos necesarios para USB inalámbricas), arquitecturas WPAN con costos efectivos, y
operará sobre la capa MAC de la IEEE 502.15.3 la cual está bien definida. El nuevo estándar TG3a
permitirá un amplio rango de transmisión, incluyendo los requerimientos multimedia sobre los 100
Mbps, tales como video conferencias inalámbricas.
21
Desde que el grupo de trabajo IEEE 802.15.3a empezó a escuchar las propuestas en
marzo de 2003, muchas compañías han hecho sus propuestas y colaborado para formar
coaliciones que apoyen una sola idea para la implementación del estándar. En julio de 2003, Intel y
Texas Instruments unificaron sus esfuerzos para proponer que utilice bandas múltiples y utiliza
modulación OFDM.
Después de su reunión en julio de 2003, TG3 tiene dos principales preocupaciones: la
proposición de Texas Instrumets para utilizar multi-bandas moduladas en OFDM que utiliza canales
de 528 MHz (tres canales principales en bandas bajas y cuatro canales opcionales en bandas
superiores) y la propuesta de banda doble con spread spectrum de Xtreme Spectrum y Motorota,
en donde hay una banda alta (alrededor de los 5.2 – 5.8 GHz en la banda libre) y una banda baja
(de 3.1 GHz a un poco antes de los 5.2 – 5.8 HGz) y que utiliza todo el espectro UWB.
Si el proceso de estandarización termina de acuerdo a lo previsto por el TG3a, los primeros
dispositivos para las WPANs de alta velocidad estarán disponibles antes del año
2005.
Como se muestra en la tabla 1.3 Texas Instruments prefiere un sistema de canales en la
UWB. En el grupo A hay tres bandas para operaciones estándares. En el grupo C hay cuatro
bandas que se utilizarían para uso opcional en áreas en donde haya picoredes simultáneas (esto
se utilizaría solo en las regiones más próximas dado que las perdidas por propagación limitan las
señales en estas frecuencias tan altas). Las bandas de los grupos B y D se reservarían para
futuras expansiones. Cada banda utilizaría frequency hopping con multiplexado ortogonal y
multiplexado de división de frecuencia (TFI –OFDM), lo que permitiría a cada banda en el UWB ser
dividido en un conjunto de canales ortogonales (con una mayor duración en el periodo de los
símbolos). Debido al incremento en la longitud del periodo en los símbolos OFDM, esta modulación
puede reducir exitosamente los efectos de ISI. Sin embargo, su robusta tolerancia a las múltiples
trayectorias, afecta la complejidad del transceptor, incrementa la necesidad la combatir la
interferencia entre portadoras y restringe los elementos lineales de los circuitos amplificadores.
Asignación de espectro.
3 (primera generación de bandas)
10 bandas opcionales.
Ancho de banda.
528 MHz.
Rango de frecuencias.
Grupo A: 3.168- 4.752 GHz
Grupo B: 4.752- 6.072 GHz
Grupo C:6.072 – 8.184 GHz
Grupo D: 8.184 –10,296 GHz
Características de modulación.
TFI-OFDM, QPSK
Método de coexistencia.
Banda nula para WPAN (-5GHz)
Método de acceso Multiple.
Intercalación en tiempo-frecuencia.
Picoredes simultaneas.
4
Códigos de corrección de error.
Convolutional code.
Tasa de código.
11/32 para 110Mbps
5/8 para 200 Mbps
3/4 para 480 Mbps
Margen de enlace
5.3 dB @ 10 m @ 110 Mbps
10.0 dB @ 4m @ 200 Mbps
11.5 dB @ 2m @ 480 Mbps
Numero de bandas.
Periodo de simbolo.
312.5 ns OFDM simbolo.
Tabla 1.3: Descripción de la propuesta TI para la capa física OFDM, multibanda.
La propuesta de Xtreme Spectrum-Motorola utiliza una banda dual como se muestra en la
tabla 1.4, que emplea pulsos de corta duración para transmitir en cada banda, teniendo ancho de
22
banda en exceso de 1 GHz (frecuentemente referido como un impulso de radio). El diseño de
Xtreme Spectrum se beneficia de la ganancia por codificación lograda gracias al uso de spread
spectrum de secuencia directa con 24 chips/símbolo. Sin embargo, tiene menos flexibilidad para
adaptarse a las regulaciones, de países que han limitado el espectro de la UWB del autorizado por
la FCC.
Asignación de espectro.
2
1.38 GHz.
2.736 GHz.
Numero de bandas.
Ancho de banda.
Rango de frecuencias.
3.2- 5.15 GHz
Características de modulación.
Método de coexistencia.
BPSK, QPSK, DSS-SS
Banda nula para WPAN (-5GHz)
Método de acceso Multiple.
Picoredes simultaneas.
Códigos de corrección de error.
CDMA
8
Convolutional code.
REED Solomon code.
1/2 @ 110Mbps
RS(225,223) @ 200 Mbps
RS(225,223) @ 200 Mbps
6.7 dB @ 10 m @ 114 Mbps
11.9 dB @ 4m @ 200 Mbps
1.7 dB @ 2m @ 600 Mbps
Tasa de código.
Margen de enlace
Periodo de simbolo.
731ps (banda baja)
365.5 ps (banda alta)
Tabla 1.4: Propuesta de Xtreme spectrum para las UWB.
IMPULSOS DE RADIO (IR) VS. MULTI BANDAS UWB.
Las dos propuestas más importantes consideradas por el IEEE 802.15.3a difieren,
principalmente, en su posición en el espectro. Los impulsos de radio (IR), la propuesta típica para
las comunicaciones en UWB, involucra la utilización impulsos de poca duración que ocupen una
sola banda de varios GHz. Los datos son comúnmente modulados con PPM (modulación de
posición de pulso); y se puede soportar a múltiples usuarios utilizando un esquema de salto de
tiempo (time-hopping). La propuesta de Xtreme Spectrum, similar a dos bandas independientes de
IR, que utiliza una señal de spread spectrum de secuencia directa (DS-SS) con una tasa elevada
de datos.
La otra propuesta para utilizar el espectro UWB es un sistema multi-banda en donde las
bandas de frecuencia que va de los 3.1 a los 10.6 GHz se divida en varias bandas pequeñas. Cada
una de dichas bandas debe tener un ancho de banda mayor a 500 MHz para cumplir con la
definición de la FCC de las UWB. La técnica de salto de frecuencia entre dichas bandas se puede
utilizar para facilitar accesos múltiples. Las compañías que conforman la coalición Multi-bandasOFDM apoyan esta propuesta ya que tiene gran flexibilidad para adaptarse a las regulaciones
espectrales de diferentes países y evita la transmisión en bandas ocupadas.
23
COMPARACIÓN DE DESEMPEÑO EN UNA OFDM VS. DS-SS IR.
En presencia de una gran interferencia en una banda estrecha, un sistema Multibanda
podría dejar la banda que sufre el problema, por lo que se reduciría su eficiencia de banda su
capacidad en general. Un sistema que trabaje con impulsos de radio podría mitigar dichos efectos
debido al proceso inherente de ganancia en los sistemas DS-SS.
OFDM puede ser visto como varios canales estrechos, paralelos, o como subbandas, por
lo que cada sub-banda esta paralela en el espectro. Esto significa que OFDM no requiere un
ecualizador digital en su dispositivo de recepción, mientras que el receptor IR CDMA requiere de
un ecualizador RAKE. El periodo de símbolo más largo utilizado en OFDM lo hace menos sensible
a los pequeños cambios en el tiempo en el receptor, que a diferencia de los IR, tienen impulsos de
tiempo mucho más cortos. La resistencia de OFDM a fallos en frecuencias selectivas tiene
repercusiones en una importante interferencia en las portadoras 8ICI) en sus propias sub-bandas
de transmisión, y gran sensitividad a los rangos dinámicos (por lo que se requiere un pico mayor de
energía, y por lo tanto mayor consumo de baterías). Los defensores de IR argumentan que debido
a los impulsos largos utilizados en la propuesta de multi-bandas OFDM, que no puede capturar los
beneficios de las técnicas de procesamiento de señal utilizados para mitigar los efectos negativos,
que tiene las señales al tomar varios caminos, de este método y con esto mejorar la detección de
señales y precisar mediciones.
“El valor cuadrático medio (RMS) del retraso de propagación en un ambiente indoor (~25
ns o menos) es mayor que un pulso IR, pero es mucho menor a la aproximación multi-banda
OFDM. Por lo tanto, el canal parece plano y desvanecido para la sub-banda de la aproximación
OFDM, lo que causaría desvanecimiento y dificultades de propagación. Si además hay
simultáneamente multipatchs se produciría un profundo desvanecimiento en un lugar específico”
[9]. Mientras que la aproximación de IR aprovecha los multi-caminos gracias a su alta resolución en
tiempo, pero requiere procesamiento de señales para ecualizar los multi-caminos para mejorar la
recepción.
La propuesta de multi-bandas, tiene gran flexibilidad para coexistir con otras aplicaciones
inalámbricas internacionales y para aceptar posibles regulaciones gubernamentales, fuera de
Estados Unidos, que reduzcan el espectro de las UWB. OFDM es un método de acceso múltiple
muy nuevo y complejo que está ganando popularidad.
24
1.4 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO:
El concepto básico es desarrollar, transmitir y recibir una ráfaga de energía de radio
frecuencia (RF) con una duración extremadamente corta, típicamente de unas pocas décimas de
pico segundos (o trillones de segundos) hasta unos pocos nanosegundos (o billones de segundos)
de duración. Aquellas ráfagas representan desde uno hasta sólo unos pocos ciclos de una onda
portadora de RF. Las formas de onda resultante son extremadamente anchas, de tal forma que a
veces es difícil determinar la frecuencia central de una RF, de allí su nombre de "portadora libre".
Inicialmente, los métodos de generación de señal utilizados para "banda base" (ejemplo,
no RF), y la rápida subida del pulso de excitación de una antena de microondas de banda ancha
para generar e irradiar la respuesta efectiva del impulso de la antena son características logradas.
UWB emite pulsos digitales cortos, que son colocados muy precisamente en el tiempo
(intervalos de unos 10 picosegundos) en una señal portadora a través de un espectro muy amplio
(número de canales de frecuencia) al mismo tiempo (figura 1.2). La duración del corto pulso es
generalmente menos de 1 nanosegundo.
Figura 1.2: sistema de comunicación UWB.
El transmisor y el receptor deben coordinarse para enviar y recibir los pulsos con una
precisión de una trillonésima de segundo. En un sistema de acceso múltiple, un usuario tiene un
único código "pseudo-aleatorio" (PN). Un receptor que opera con el mismo código PN puede
decodificar la transmisión. El receptor de UWB consta de un reloj oscilador de alta precisión y un
correlacionador para convertir la señal de RF recibida en una señal de salida de banda base digital
o analógica. El transmisor de UWB y el receptor están estrechamente unidas por medio de un
esquema de reconocimiento donde el emisor espera a que el receptor de la respuesta de un
determinado período de tiempo (aproximadamente 10 segundos)
Los sistemas UWB son utilizados para aplicaciones inalámbricas móviles de alta velocidad.
Además, debido a sus formas de onda de duración muy corta, son implementados en ráfagas de
paquete y en accesos con protocolo TDMA (Time Division Multiple Access) para comunicaciones
multiusuario.
Los dispositivos UWB pueden ejecutar un gran número de funciones en
telecomunicaciones, lo cual hace interesante sus aplicaciones en ámbitos gubernamentales y
comerciales.
25
Estos sistemas, debido a que tienen un gran ancho de banda para transmitir la información,
son capaces de ser usados en operaciones que requieran precisar tiempo y localización tal como
en:
· Detección de objetos cercanos;
· Penetración de muros, follajes y tierra;
· Comunicaciones a altas tasas de velocidad (rangos de 100 Mbits/seg para 10 metros) o
tasas de velocidad más bajas (rangos de 100 bits/seg para 10 kilómetros);
· Mejoramientos en el comportamiento de los multicaminos de propagación de señales.
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS:
Las principales características técnicas del sistema UWB son las siguientes:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Radio sin portadora: Transmisión de la forma de onda (Banda base).
Formato más utilizado: Radio Impulsiva (pulsos ultra cortos < 1ns).
Penetrabilidad en paredes gracias a su contenido en bajas frecuencias.
Ciclos de trabajo muy reducidos (típico <1/10000).Muy bajo consumo.
Es una técnica spread spectrum (sujeta a códigos y uso CDMA).
Nueva tecnología de antenas de banda muy ancha (espirales, fractales. etc.).
Gran factor de ganancia (típico >1000) Gran capacidad de usuarios.
Sincronizadores complejos, pero conversores A/D simples.
No interfiere en sistemas existentes. Coexiste con ellos.
Relativamente inmune al multitrayecto (debido a los impulsos ultracortos).
Competencia a la tecnología de corto alcance, como el Bluetooth.
Actualmente, existe un gran interés en UWB para su uso en comunicaciones. La
característica especial del sistema es que tiene un gran ancho de banda, donde la banda entre 3
GHz y 10.6 GHz, es la propuesta para ser utilizada en USA para los servicios de
telecomunicaciones, como se indica en el apartado de Espectro de Frecuencias de este análisis.
Los sistemas son focalizados en comunicaciones de corto alcance, con un gran ancho de
banda y una muy baja densidad espectral, de allí que minimiza el riesgo de interferencia con otros
usuarios. El trabajo de estandarización para el sistema ha empezado recientemente en el IEEE
802.15.4, y ha resultado un gran número de medidas al modelar los canales, especialmente para
medio ambientes diferentes a las oficinas, igual que en la Industria y público en general.
26
DIAGRAMA DE BLOQUES DEL TRANSCEPTOR DE RADIO.
Figura 1.3: Diagrama de bloques del sistema UWB.
PULSOS, TREN DE PULSOS Y MODULACIÓN PPM.
Figura 1.4: Flujo de señales en UWB.
27
1.5 SEÑALES UWB:
Generación de la señal DS-UWB:
UWB con Secuencia Directa (DS-UWB) tiene un imbatible comportamiento en todos los
modos y condiciones de multicaminos, usando la modulación BPSK con ensanchamiento de
códigos de longitud y soporta muchas tasas altas de datos.
Al mismo tiempo, tiene una complejidad mucho menor y menor consumo de potencia. Esto
es muy importante para las aplicaciones en servicios móviles y sus terminales, teniendo una baja
complejidad digital, proporcionan un buen comportamiento para largo alcance y altas tasas para
corto alcance. Utiliza la Armonización e Interoperabilidad con otras formas de onda mediante el
Modo Común de Señalización (CSM).
Bandas de Operación de DS-UWB.
Cada pico red puede operar en una o dos bandas en USA, estas son:
Banda Baja (bajo U-NII, desde 3.1 a 4.9 GHz), y
Banda Alta (opcional, sobre U-NII, desde 6.2 a 9.7 GHz).
Figura 1.5: Bandas de operación de DS-UWB.
Esta técnica soporta múltiples pico redes, con características tales como:
• Aplicación en redes clásicas de espectro ensanchado (spread spectrum).
• La adquisición usa códigos únicos de ensanchamiento de longitud 24.
• Usa compensación de tasas de Chips para minimizar la correlación cruzada.
28
Diagrama en bloques del Transmisor DS-UWB.
Figura 1.6: Diagrama en bloques del Transmisor DS-UWB.
De acuerdo con el diagrama de la Figura 1.6, este sistema opera con códigos
convolucionales y la restricción de longitud del código con k = 6.
El codificador con K=4 puede ser usado para complejidades menores con altas tasas de
datos o para soportar iteraciones de la decodificación en un mejoramiento de la performance del
sistema.
La etapa “Convolutional bit interleaver” es una protección contra los errores de las ráfagas
y los códigos de longitud variable proporcionan tasa de datos escalables usando BPSK, para
soportar modos opcionales 4-BOK con una pequeña complejidad adicional.
TASAS DE DATOS SOPORTADOS POR DS-UWB.
Las tasas de datos son definidas en forma similar para las bandas bajas y bandas altas. En
la Tabla se muestran diferentes tasas de datos entre 28 Mbps y 1320 Mbps, con sus respectivos
alcances y tipo de FEC que utilizan.
Tabla 1.5: Tasas de datos soportados por DS-UWB.
29
ESPECTRO DE FRECUENCIAS.
Después de las reuniones del Grupo de Trabajo 3a (TG3a) en Julio 2003, se establecieron
2 grupos primarios con proposiciones para el uso del espectro para UWB:
Uno de ellos fue Texas Instruments con una propuesta de multibanda basada en OFDM, la
cual utiliza 528 MHz por canal (tres mandatorios para los canales en la banda inferior y cuatro
canales opcionales para la banda superior) siendo apoyados por la Coalición de Multibanda
OFDM. La segunda propuesta fue hecha por Xtreme Spectrum - Motorola con Espectro
Ensanchado para Impulsos de Radio en banda dual, donde la banda superior está en la banda no
licenciada entre 5.2 y 5.8 GHz, y la banda inferior desde 3.1 GHz hasta la banda no licenciada 5.2 5.8 GHz, las cuales explotan todo el espectro para UWB.
En la Figura 1.7 se muestra la zona de operación del sistema UWB bajo estudio por la
FCC, y en las Tablas se muestra las características de las proposiciones de los grupos
mencionados.
Figura 1.7: Esquema de uso del espectro en estudio en la FCC.
En la tabla 1.6 se muestra la proposición de Texas Instruments para el caso de tener multibanda
basada en OFDM (M-OFDM).
Spectrum allocation.
3
10 opcionales.
528 MHz.
Grupo A: 3.168 - 4.752 GHz.
Grupo B: 4.752 - 6.072 GHz.
Grupo C: 6.072 - 8.184 GHz.
Grupo D: 8.184 – 10.296 GHz.
Numero de bandas
Ancho de banda
Rango de frecuencia
Tipo de modulación.
Método de coexistencia
Método de acceso múltiple.
Picoredes simultaneas.
Código de corrección de errores.
Tasa de código.
Margen de enlace.
Periodo de simbolo
TFI-OFDM, QPSK.
Banda nula(~ 5GHz)
Intercalación tiempo-frecuencia.
4
Convolutional code.
11/32 @ 110 Mbps, 5/8 @ 200 Mbps, 3/4 @ 480
Mbps
5.3 dB @ 10 m @ 110 Mbps
10.0 dB @ 4 m@ 200 Mbps
11.5 dB @ 2 m @ 480 Mbps
312.5 ns OFDM
Tabla 1.6: Multibanda basada en OFDM. (Fuente: Texas Instruments)
30
Figura 1.8: Espectro de Frecuencias para la Multibanda - OFDM propuesto en el estándar 802.15.3.
En la Tabla 1.6 se muestra la proposición de Xtreme Spectrum – Motorola con Espectro
Ensanchado para Impulsos de Radio en banda dual, y en la Figura se muestra el esquema de la
multibanda.
Numero de bandas
Ancho de banda
Rango de frecuencia
Tipo de modulación.
Método de coexistencia
Método de acceso múltiple.
Picoredes simultaneas.
Código de corrección de errores.
Tasa de código.
Margen de enlace.
Spectrum allocation.
2
1.368 GHz. 2.736 GHz.
3.2 – 5.15 GHz.
5.825 – 10.6 GHz.
BPSK, QPSK, DS-SS.
Banda nula(~ 5GHz)
CDMA
8
Convolutional code.
1/2 @ 110 Mbps
RS(255,223) @ 200 Mbps
RS (255,223) @ 480 Mbps
6.7 dB @ 10 m @ 114 Mbps
11.9 dB @ 4 m@ 200 Mbps
1.7 dB @ 2 m @ 600 Mbps
Tabla 1.6: Espectro ensanchado para impulsos de radio en banda dual.
Figura 1.9: Sistema Multi Banda (3.1 a 5.15 GHz más 5.825 GHz a 10.6 GHz)
31
CANALIZACIÓN O "MÚLTIPLES PICO REDES" CON UWB:
Múltiples pico redes es el mecanismo usado para compartir el canal entre múltiples redes
independientes, permitiendo a aquellos sistemas operar alrededor del mismo espacio sin
interferencia.
Nuevamente, hay varias maneras para implementar accesos múltiples. Junto a la
tradicional Multiplexación por División de Frecuencia (FDM) o Multiplexación por División de
Tiempo (TDM), se podría usar la Multiplexación por División de Código (CDM) o aún esquemas de
Saltos de Frecuencia (FH).
DS-UWB usa una combinación de la División de Códigos, compensación de frecuencias de
operación y FDM para permitir múltiples pico redes para aparecer como ruido blanco.
Esta aproximación permite compartir bandas comunes de frecuencias minimizando la potencial
interferencia para otros sistemas.
COMPARTICIÓN DEL CANAL DE RF EN UWB.
Varios sistemas modernos de UWB utilizan una combinación de Multiplexación por División
de Frecuencia (FDM) y Múltiples Accesos por División de Tiempo (TDMA) para acomodar múltiples
usuarios, así como también configuración de redes y administración de datos para una aplicación
inalámbrica ad-hoc.
El objetivo del análisis de la Interferencia Electromagnética (EMI) fue investigar la
susceptibilidad que los receptores de comunicaciones militares, navegación y radar fueran
afectados por el EMI de diferentes dispositivos operando como UWB.
Los resultados de esta investigación entregaron la información necesaria para evaluar el
potencial de los dispositivos UWB para coexistir con los actuales sistemas en operación sin causar
problemas de Interferencia EMI, y ayudar a definir los parámetros del sistema UWB requeridos
para la Compatibilidad Electromagnética (EMC).
Cada uno de los sistemas mencionados anteriormente, fueron probados por la compañía
MSSI, usando banda ancha y canales con frecuencias ortogonales, en los cuales múltiples
emisores UWB transmiten simultáneamente muy próximos entre ellos. Los resultados de las
pruebas realizadas indican que aproximadamente en el 8% de los casos, el nivel de Interferencia
Electromagnética (EMI) y el nivel de ruido blanco causado son similares en orden de magnitud.
MSSI también incorporó FDM UWB para múltiples usuarios inalámbricos operando en
medios severos de multicaminos.
IMPULSOS: TRANSMISIÓN DE INFORMACIÓN SIN PORTADORA.
Los sistemas UWB se han basado siempre en señales tipo radar en forma de pulsos de
muy corta duración. Los pulsos, extremadamente cortos, se transmiten directamente a la antena
sin necesidad de portadora en frecuencia y con tiempos de subida y bajada muy pronunciados.
Estos pulsos suelen ser de tipo gaussiano (aunque hay más modelos). Según asciende el
grado de la derivada en un pulso de tipo gaussiano, la energía se desplaza a mayores frecuencias
y se cumple la máscara. La desventaja reside en que no aprovecha eficientemente el ancho de
banda utilizable ni la potencia permitida.
32
La operación de derivada se puede implementar como un filtro paso alto; para transmitir la
quinta derivada por el aire, el pulso gaussiano debe filtrarse hasta la derivada de orden 4.
Donde:
• A = Amplitud.
• σ = Anchura del pulso.
A partir de la derivada de quinto orden, se cumple la máscara en frecuencia propuesta por
la FCC sin necesidad de desplazar en frecuencia.
Figura 1.10: Pulsos gaussianos de derivadas de orden ‘n’ junto con la máscara normalizada propuesta por la FCC.
Los pulsos pueden modularse siguiendo los diferentes esquemas: Pulse Position
Modulation (PPM) que es ortogonal, Pulse Amplitude Modulation (PAM), On-Off Keying (OOK), BiPhase Modulation, BPSK y QPSK. Y las formas de explotar el espectro son: por espectro
ensanchado (DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum) o por salto en tiempo (TH, Time Hopping).
Ambas son muy precisas en la posición.
Los pulsos generalmente se agrupan para transmitirse en secuencias, cada secuencia
representa un simbolo. Un tren de pulsos uniforme tiene líneas espectrales que ensucian el
espectro.
La forma de los pulsos recibidos depende de la generación del pulso; la forma del filtro y la
respuesta, de las antenas.
33
Figura 1.11: Modulaciones tipo PPM, PAM, OOK y Bi-Phase.
TH, Time Hopping:
Se caracteriza principalmente por:
• Utilizar Nf tramas por simbolo. Es decir, existen Nf posiciones donde puede colocarse el
pulso.
• Utilizar Nc chips TH por trama.
• Transmitir un pulso por trama y usuario.
• Utiliza una transmisión discontinua mediante un ciclo de trabajo bajo.
• Las secuencias en TH determinan la localización del pulso.
34
Figura 1.12: Caracterización de Time Hopping.
Los pulsos corren a través de un filtro paso banda. Este filtro tiene una frecuencia central
que controla la frecuencia central del pulso. La forma del pulso y el espectro se controlan mediante
la respuesta en frecuencia del filtro y en menor peso por la forma del pulso de entrada.
Se puede utilizar un proceso de “aleatorizacion de polaridad” para eliminar las líneas que
ensucian el espectro. De esta forma se cumple mejor la máscara.
Figura 1.13: Spectrum of a PPM signal with TH sequence.
35
Figura 1.14: Espectro TH-PPM sin y con ‘aleatorizacion de polaridad’
Una forma de aprovechar mejor el ancho de banda y la potencia de transmisión es utilizar
un método de combinación aleatoria de dos o tres pulsos Gaussianos de entre los 16 primeros
órdenes de derivadas. Recibe el nombre de Método de MUI. Los resultados se encuentran en la
figura 15 donde se puede apreciar que para este método se consigue una potencia por cada pulso
mayor, aprovechando una mayor zona en el espectro. Además, de esta forma se disminuye en
gran proporción la tasa de error por bit o BER. Se consiguen transmisiones de hasta 100 Mbps
para distancias superiores a los 10m.
Figura 1.15: Pulso gaussiano combinado mediante la 7a y 14a derivadas del modelo MUI (que cumple la
máscara propuesta por la FCC).
36
DSSS, DIRECT SECUENCE SPREAD SPECTRUM:
Se caracteriza principalmente por:
• Nc chips de DS por simbolo.
• Envía un pulso por cada chip.
• La tasa del chip es una fracción de la frecuencia central.
• La secuencia DS determina la polarización del pulso.
• El ciclo de trabajo es alto.
• Los pulsos se transmiten en secuencias formadas por 1 hasta 24 pulsos. Estas se envían
a una tasa fija de chip, Tc.
Figura 1.16: Caracterización de Spread Spectrum.
El espectro queda relativamente sucio y se utiliza la fórmula de “aleatorizacion” o
“Scramble” para limpiar las líneas que sobresalen del espectro para ayudar a cumplir la mascara
(figura 17).
37
Figura 1.17: Espectro DSSS sin y con ‘Scramble’ (que cumple la máscara propuesta por la FCC).
Trabaja sobre dos bandas de frecuencia: 3,1-4,85 GHz, y de 6,2-9,7 GHz. Así, puede
trabajar en banda baja, sobre la primera banda, en banda alta, sobre la segunda, o bien utilizando
ambas, en multi banda, consiguiendo un modo full duplex, transmitiendo en una banda y recibiendo
en la otra.
La forma de su espectro depende de la forma del filtro utilizado. Esto es una desventaja ya
que los aparatos pueden diferir dependiendo de la zona del mundo donde te encuentres. Sin
embargo, la frecuencia central y el ancho de banda son ajustables, aportando flexibilidad y
escalabilidad, facilita la coexistencia con MB-OFDM y el hardware es sencillo, lo que reduce el
consumo de potencia.
Mecanismos para mitigar interferencias son:
• DAA o Detection and Avoid.
• Disminuir el ciclo de trabajo.
Ambos mecanismos propuestos para la banda de frecuencia de 3,1-4,8 GHz. Sin embargo,
hasta 2010/2012 no se obligara a la utilizacion de estos mecanismos en la banda entre 4,2-4,8
GHz.
MB-OFDM: TRANSMISIÓN DE INFORMACIÓN CON PORTADORA.
La información se transmite utilizando la modulación OFDM en cada banda, lo que implica
una flexibilidad en el espectro de uso internacional, no como en el caso de DSSS. Se caracteriza
por:
• Un periodo de alrededor de T = 312,5 ns, incluyendo el prefijo cíclico o cero y el tiempo de guarda
de 9,5 ns. (figura 1.18).
38
Figura 1.18: Período del pulso MB-OFDM.
• El espectro se reparte en 14 bandas, divididas, de tres en tres en grupos. Las primeras tres
bandas son las que se utilizan actualmente como primera generación de sistemas, que son las
coloreadas en azul (3,1-4,9 GHz). Las demás están bajo estudio y son opcionales. (figura 1.19)
Figura 1.19: División del espectro MB-ODFM.
Ancho de banda total por cada banda es de 528 MHz.
Figura 1.20: Grupo 1 del espectro de MB-OFDM dividido en las tres primeras bandas.
39
• Cada banda se modula mediante OFDM. Dependiendo de las regulaciones del espectro, algunas
portadoras pueden desaparecer para evitar interferencias con otros sistemas. Las portadoras se
generan y recuperan eficientemente utilizando 128 puntos IFFT/FFT (128 subportadoras). Es decir,
cada banda consta de 128 tonos (100 de datos), espaciados cada 4,125 MHz.
Figura 1.21: Banda 1 del espectro modulada en OFDM.
• Las modulaciones utilizadas son QPSK (antipodal en grupos de 2 bits) o bien DCM (Dual Carrier
Modulation, ortogonal, formada por grupos de 4 bits mapeados en dos constelaciones diferentes de
16 puntos separados por 50 tonos). Hay otros modelos, pero menos utilizados.
Figura 1.22: Espectro MB-OFDM práctico que cumple su máscara espectral de emisión.
40
La gran ventaja es que, en el proceso de transmisión/recepción, el ancho de banda de las señales
en banda base es pequeño. Además, es un sistema robusto ante el multitrayecto y consigue tasas
de transmisión muy elevadas.
Mecanismos DDA (Detection And Avoid) para mitigar interferencias son:
• Eliminar una banda completa. Es ineficiente pero simple.
• Anular un tono. Es más eficiente. Sin embargo, requiere técnicas más avanzadas para suprimir
los lóbulos secundarios de la ventana rectangular.
• Crear una ventana. Puede suprimir los lóbulos secundarios de forma significativa. Sin embargo,
de esta manera se destruye la ortogonalidad.
• Cancelación activa de la interferencia (AIC, Active Interferente Cancellation).
Con lo que se intenta suprimir el efecto del lóbulo secundario. Se requiere un método que cancele
tonos para cada simbolo OFDM.
• OFDM también se utiliza en WIMAX, DAB, DVB y algún estándar de WiFI.
• Aproximación de tipo WLAN.
41
1.6 ANTENAS UWB:
Se han propuesto muchos tipos de antenas para aplicaciones de UWB. La impedancia
característica de cada tipo difiere por el material, la forma y las características de propagación, ya
que la estructura de la antena para cada diseño es diferente. La impedancia de la antena es una
función generalmente compleja. Es más, la resistencia y reactancia de la antena son dependientes
en la frecuencia por una función no lineal.
Aunque para este proyecto hemos supuesto la reciprocidad en la transmisión y recepción
de una antena UWB en el dominio del tiempo, se sabe por estudios realizados, como por ejemplo
el del Dr. Motohisa Kanda, de NBS, que ‘la respuesta transitoria de una antena que está
transmitiendo es proporcional al tiempo derivado de la respuesta del transitorio de esa misma
antena cuando está recibiendo la señal, es decir, no son iguales; este se traduce en un factor "jω"
en el dominio de la frecuencia. Para una sola frecuencia, este factor se convierte en un desfase de
90o; sin embargo, se ignora en el diseño de la antena proponiendo la misma ganancia. Este valor
variara notoriamente al trabajar en el dominio del tiempo según actúe de antena UWB transmisora
o receptora, es decir, derivando o integrando. Para estudios de medidas se recomiendan las
antenas cónicas para transmisión, ya que radian un campo electro-magnético que es igual en
forma de onda al voltaje que le llega (no ocurre lo mismo si se utiliza como antena receptora, pues
su salida será la integral del campo eléctrico incidente), y las de tipo TEM horn para recepción, que
a la salida dirige un voltaje en forma de onda igual al campo eléctrico incidente. Otra buena antena
receptora también utilizada en investigación, es la D*dot, que aporta a la salida la primera derivada
del campo eléctrico incidente.
Hay otros modelos que cumplen las características implícitas para UWB que tienen en
cuenta el gran ancho de banda de la señal a transmitir y la linealidad requerida en la transmisión,
como por ejemplo, la banda de emisión. Antenas: dipolos, Horn, espiral, biconicas, guías de onda,
Vivaldi...
Las antenas de alta ganancia o direccionales concentran toda su energía en un ángulo
solido más estrecho que las antenas omnidireccionales. Una antena isotrópica tiene una ganancia
de 0 dBi por definición (pero es una antena ideal, físicamente no realizable). Un dipolo tiene una
ganancia de unos 2.2 dBi. Una antena de alta ganancia tipo Horn y otra de tipo reflector pueden
tener ganancias de 10 o 20 dBi o mayores. La eficiencia está incluida como definición de ganancia
de antena; así si un dipolo con una eficiencia del 50% (-3dB) tendrá una ganancia de alrededor de
-1.8 dBi. Por otro lado, por debajo de la banda de utilizacion, las ganancias resultantes son
menores. Es por ello, que consideramos despreciable la ganancia de la antena UWB a lo largo de
este proyecto.
Una aplicación punto a punto conecta dos o más usuarios estáticos que serán servidos
preferentemente por una antena direccional; sin embargo, usuarios móviles generalmente
requerirán de un número de microcelulas omnidireccionales. Estas células individuales pueden
estar unidas mediante una infraestructura tipo LAN cableada o utilizando repetidores de señal
inalámbrica.
Hay numerosas empresas que trabajan con tecnología UWB como pueden ser: Farr
Reasearch, en Albuquerque., Time Domain, XtremeSpectrum, Wisair, Motorota, Texas Instrument,
Sony, Nokia, General Atomics, Intel, que fabrica diferentes dispositivos como Intel R Wireless Link
1480 UWB Media Access Controller (MAC) o un chip CMOS PCI-E UWB que promueve la
utilizacion de esta tecnología, o Communication Research Laboratory (CRL) en Japón.
42
MÁSCARA DE EMISIÓN UWB.
Para completar el estudio que hemos realizado, hemos decido añadir la máscara de
emisión UWB hasta frecuencias de 6 GHz. Hemos reunido nuestro estudio con el realizado por el
resto de estudiantes de la E.P.S para este sistema [35 y 37], obteniendo la máscara que se
presenta en la Figura D. Los sistemas estudiados para la realización de esta mascara son:
sistemas móviles de segunda y tercera generación (2G y 3G), WiFI a 2.5 GHz y 5.3 GHz, WIMAX a
2.5 GHz. 3.5 GHZ y 5.4 GHz, DAB, DTV.
Figura 1.23: Mascaras de emisión indoor hasta 6 GHz para las tecnologías de: GSM-900, GSM-1800, UMTS-2000,
UMTS-2600, IS-136, WiFi, WIMAX, DAB y DTV como víctimas.
43
1.7 OPCIONES DE TRANSPORTE PARA SEÑALES UWB:
En cada desplegado comercial de tecnología de radio, desde de la telefonía celular, Wi-Fi
(802.11b) a 802.11a, hay una amplia gama de técnicas de modulación utilizadas para crear la
señal de transporte. Éstas varían desde una mono-fase, bi-fase o de fases múltiples. El mercado
impulsa estos enfoques dispares a un nivel en el tiempo, y los métodos más eficientes (medido
como una combinación de factores como el consumo de energía, el costo de fabricación, la
velocidad de transmisión de datos, la distancia de transmisión, y la tasa de error de bits) son
elegidos. En el caso de 802.11b y 802.11a, enfoques mono-fase son extintos. El mismo proceso de
"supervivencia del más apto" se producirá en el reciente segmento de mercado de las tecnologías
de radio de UWB. El grupo de trabajo IEEE 802,15 de PHY alternativo de alta tasa (TG3a) para
WPANs trabajó en un proyecto para proporcionar una PHY de mayor velocidad para mejorar a la
802.15.3 en aplicaciones, incluyendo imágenes y multimedia. La tecnología UWB impulso un
esfuerzo en la normalización y de varias propuestas de uso (LAD, 2004). Las dos principales
propuestas se indican a continuación.
•
XTREMESPECTRUM, MOTOROLA Y PARTHUS-CERVA (DS-CDMA)
Espectro extendido de secuencia directa, también conocida como secuencia directa de
acceso múltiple por división de código (DS-CDMA), es uno de los dos enfoques. En este enfoque,
el flujo de información que debe transmitirse se divide en pequeños trozos, cada uno de los cuales
está asignado a un canal de frecuencia en todo el espectro. La señal de datos en el punto de
transmisión se combina con una secuencia de mayor tasa de bits de datos (también conocido
como código de chipping), que divide los datos de acuerdo a un coeficiente de propagación. El
código de chipping redundante ayuda a la señal de resistir interferencias y también permite que los
datos originales sean recuperados en caso de dañarse durante la transmisión. La secuencia
directa contrasta con la de otro proceso, conocido como Propagación de espectro por salto de
frecuencia, o Salto de frecuencia de acceso múltiple por división de código (FH-CDMA), en la que
una amplia porción del espectro de ancho de banda se divide en muchas frecuencias de
radiodifusión. En general, la frecuencia de salto en los dispositivos utiliza menos energía y son más
baratos, pero el desempeño de los sistemas DS-CDMA suele ser mejor y más fiable
(ExtremeSpectrum, 2004).
•
INTEL Y TEXAS INSTRUMENTS (OFDM MULTIBANDA)
Sistemas multibanda y multiportadora, usan Multiplexación por División de Frecuencia
Ortogonal (OFDM) para transmitir la información sobre cada una de las sub-bandas. OFDM tiene
varias propiedades, tales como la alta eficiencia espectral, inherente a la resistencia a
interferencias de RF, solidez a multitrayecto y la 3
Capacidad de captar de manera eficiente la energía multitrayecto. También es bien
entendido y se ha demostrado en otras tecnologías comerciales (por ejemplo, IEEE 802.11a / g)
(Intel corporation, 2005).
Las principales ventajas son:
• Es más fácil reunir la energía multitrayecto utilizando una única cadena de RF.
44
• Tiempos de conmutación más relajados.
• Insensibilidad a las variaciones del retardo de grupo.
• Capacidad para hacer frente a la interferencia de banda estrecha en el receptor final sin
sacrificar a sub-bandas o velocidad de transmisión de datos.
El único inconveniente es que el transmisor es un poco más complejo, ya que requiere una
transformada inversa rápida de Fourier (IFFT) y el pico a promedio es ligeramente superior a la del
pulso basado en la banda de múltiples enfoques. Teniendo en cuenta la banda de frecuencia de
3,1 GHz a 4,8 GHz y el requisito de que la FCC las señales UWB tienen que ser de al menos 500
MHz, sólo tres subbandas pueden utilizarse en el despliegue inicial de los sistemas OFDM
multibanda. OFDM multibanda tiene ventajas sobre otras posibles implementaciones de UWB en
términos de la sencillez.
45
1.8 CARACTERISTICAS DE UWB:
Facilidades y Características de UWB:
Entre las facilidades y características más importantes de la tecnología UWB, podemos
considerar:
o Reutilización del espectro (coexistencia con otros sistemas).
o Admite despliegue microcelular sin coordinación.
o Baja densidad de potencia radiada (menores efectos biológicos).
o Relativa inmunidad al multitrayecto en interiores (indoor).
o Admite un número elevado de usuarios (cargas de hasta un 50%).
o De bajo consumo y dimensiones (implementación monolítica).
o Gran granularidad (desde pocos Kbps a Mbps).
o Con potencial intrínseco para la radiolocalización centimétrica.
La tecnología UWB tiene las siguientes características importantes:
•
Alta velocidad de transmisión de datos.
La tecnología UWB puede hacer cosas que los actuales sistemas de red inalámbrica no
pueden. Lo más importante, UWB puede manejar aplicaciones de ancho de banda más intensivas
como el streaming de vídeo, más que cualquiera de los dos 802,11 o Bluetooth, ya que puede
enviar datos a tasas mucho más altas. La tecnología UWB tiene una velocidad de transmisión de
datos desde 53.3 Megabits por segundo hasta más de 1 Gigabit por segundo, esto se compara con
una velocidad máxima de 11 megabits por segundo para 802.11b (a menudo denominado Wi-Fi),
que es la tecnología que actualmente se utilizan en la mayoría de redes LAN inalámbricas, 54
megabits por segundo para 802.11a (que es Wi-Fi en 5MHz), y Bluetooth tiene una velocidad de
transmisión de datos de alrededor de 1 megabit por segundo.
•
Bajo consumo de energía.
En la transmisión de datos, dispositivos de UWB consumen menos de varias decenas de
microwatts. Eso es un gran ahorro y la razón es que UWB transmite impulsos cortos
constantemente en lugar de la transmisión de ondas moduladas continuamente como la mayoría
de los sistemas de banda estrecha. Los chipsets no requieren conversión de Radio Frecuencia
(RF) a Frecuencia Intermedia (IF), osciladores locales, mezcladores, filtros y otros. El bajo
consumo de energía hace de UWB ideal para su uso en dispositivos a pilas, como cámaras y
teléfonos celulares.
•
Inmunidad a interferencia.
Debido a la baja potencia y alta frecuencia de transmisión, la interferencia agregada por
UWB no es detectada por los receptores de banda estrecha. Su densidad espectral de potencia es
igual o inferior al ruido de fondo de banda estrecha térmica. El bajo nivel de potencia de este modo
no causa interferencias a los actuales sistemas inalámbricos caseros. “Según su Primer Informe y
Orden”, la FCC exige que los dispositivos UWB transmitan sólo cuando se opera con un receptor.
Un dispositivo conectado a la red eléctrica no está obligado a reducir o conservar energía por la
cesación de la transmisión, por lo que esta restricción eliminará las emisiones innecesarias.
Pruebas adicionales realizadas por la FCC también han demostrado de manera concluyente que
los dispositivos UWB podrán ser autorizados para operar en virtud de un adecuado conjunto de
normas sin causar interferencias perjudiciales a otras operaciones de radio.
46
•
Alta Seguridad.
Las transmisiones de UWB como ruido blanco aumenta la seguridad, ya que los receptores
sin el código específico no pueden decodificar. Diferentes esquemas de codificación, algoritmos, y
de técnicas de 5 modulación pueden ser asignados a los diferentes usuarios para la transmisión de
datos. La seguridad puede también ser realizado en el nivel Media Access Control (MAC) al
permitir a dos dispositivos para comunicarse entre sí.
•
Rango razonable.
Se define 10 metros como la mínima distancia a la velocidad de 100Mbps, no obstante,
UWB puede ir más allá. La compañía Philips ha utilizado su Digital Light Processor (DLP) en un
dispositivo para que pueda funcionar más allá de 45 pies a 50 Mbps para cuatro pantallas de DVD.
•
De baja complejidad y de bajo costo.
Las ventajas más atractivas de UWB son la baja complejidad y costo. Tecnologías
tradicionales basadas en portadoras modulan y demodulan complejas formas de onda portadora
analógica. En contraste, los sistemas UWB son totalmente digital con un mínimo de electrónica de
RF o microondas. La sencillez inherente de RF de UWB en los diseños hace de los sistemas
frecuentemente más adaptables a fin de que puedan ser colocados en cualquier lugar dentro del
espectro RF. También los dispositivos caseros inalámbricos no necesitan amplificadores de
potencia para transmitir, esta es una gran ventaja sobre las arquitecturas de banda estrecha que
requieren de amplificadores de potencia.
47
1.9 AREAS DE APLICACIÓN PARA LA UWB:
Para la transmisión sinusoidal, las ondas de baja frecuencia tienen la característica de
poder atravesar las paredes, las puertas y las ventanas debido a que la longitud de onda es más
larga que la del material que atraviesa (pues, según crece la frecuencia, la longitud de onda
decrece y viceversa). Todo lo contrario pasa con ondas de alta frecuencia, que se reflejan en
paredes y puertas, ya que su longitud de onda es mucho menor que la de estos materiales. Es por
esta razón que hay muchas aplicaciones posibles en el campo de radares, como el rescate de
víctimas enterradas, detección de minas terrestres, radares que atraviesan paredes o tierra, etc.
Aunque, principalmente, el campo de aplicaciones para el que inicialmente fue diseñado
son las redes WPAN, o sea, la electrónica en el hogar o la oficina:
• Reemplazo de IEEE 1394 en dispositivos multimedia (cámaras de fotos o video, reproductores
MP3,...) con conectividad inalámbrica.
• Permitir conectividad WUSB (Wireless Universal Serial Bus) de gran velocidad (periféricos de
ordenador, como escáners, impresoras e incluso dispositivos de almacenamiento externo).
• Reemplazo de cables en la siguiente generación de dispositivos Bluetooth, como los móviles de
3G.
• Creando conectividad inalámbrica ad-hoc de alto ratio para CE, PC y dispositivos móviles.
• La anchura de la señal (528 MHz o 2736 MHz de ancho de banda) puede usarse para
aplicaciones de streaming de video.
Figura 1.24: PC interconectados a través de USB.
Aplicaciones electrónicas para UWB en casa.
Otras aplicaciones posibles combinando todas sus ventajas son:
• WLAN
• Control de datos y voz.
• Sensores de colisión, proximidad y altitud, y con ello, mejoras anti-colisión.
• Monitorización de fluidos.
• Detección de movimientos.
• Sistemas de relocalización
Algunas de las posibles áreas consideradas para UWB aplicación son:
48
•
De imágenes e impresión.
En términos de la transferencia de datos en aplicaciones informáticas, UWB tiene la
oportunidad de suplantar al cable USB 2.0 (con la Wireless-USB), para aplicaciones de uso
intensivo de ancho de banda intensivo en imagen e impresión.
•
Radar en la industria automotriz.
Es ideal para evitar colisiones, para la detección de movimiento y la ubicación de los
objetos cerca de un vehículo, mejora de la activación de colchón de aire y ajustes de la
suspensión. Estudios demuestran de manera concluyente que no interfiere con el GPS. Todo esto
será importante, ya que la seguridad asistida con la ayuda de UWB será un factor clave en la
industria automotriz, tanto con las bolsas de aire y el GPS.
•
Aplicaciones de seguridad.
Aplicaciones como el radar de penetración de suelo (GPR) y la vigilancia a través de
paredes, parecen atractivo dado que al día de hoy se centran en la detección, siendo manejados
por empresas establecidas.
•
Aplicaciones de rastreo.
Las aplicaciones que incluyan el rastreo de niños, personal, equipo e inventario, con una
precisión de menos de una pulgada, son atractivos, sobre todo ya que UWB puede trabajar en
interiores (fábricas, centros comerciales), a diferencia de GPS.
•
Wireless Home Networks.
Normalmente, una red inalámbrica doméstica debería proporcionar conexión entre los diversos
dispositivos electrónicos de consumo tales como PC, reproductor de MP3, cámara digital,
impresora, escáner, televisión de alta definición (HDTV) y la consola de videojuegos (WiMedia
Alliance, 2005). Algunos requisitos como el control de los aparatos del hogar han encontrado
interés y adopción. No obstante, el actual uso popular de la red casera es el intercambio de datos
de PC a PC y de PC a periféricos. Con el aumento de la demanda de los clientes para el control de
hogar, juegos multijugador, y la distribución de vídeo, son importantes los esfuerzos que se están
invirtiendo en la construcción de soluciones alrededor de redes domésticas habilitadas para UWB.
49
Figura 1.25: Red inalámbrica doméstica (UWB university, 2007).
Hoy las redes inalámbricas caseras están directamente conectadas a banda ancha vía
cable o módem xDSL y en un futuro por fibra óptica, y abarcan todo el ámbito interno de un punto
de acceso (que normalmente se conoce como la puerta de enlace residencial). Se trata de un
enfoque monogrupo, que puede ser rentable, pero es ineficaz para la cobertura de toda la casa.
Con la solución correcta de red inalámbrica, aplicaciones de conectividad caseros seguirán
creciendo. Por ejemplo, todo un cine en casa podría construirse sin cables, y completamente
puede replicar la experiencia de los cableados, además, la fuente del contenido, tal como el DVD,
podría ser transmitido a otra TV en una habitación separada de la casa. También, la tecnología
tendrá la oportunidad de "seguir" los usuarios a lo largo de su hogar para que puedan acceder al
contenido desde cualquier habitación. El contenido de banda ancha por cable, por satélite y
proveedores de servicios de ADSL con un solo set-top box o gateway puede ser distribuido,
además, el set-top box podría rutear todo el tráfico de acceso a Internet de varios usuarios en el
hogar con una única conexión de banda ancha.
Para proporcionar comunicación inalámbrica transparente entre dispositivos electrónicos
caseros, es vital que la tecnología ofrezca:
• Alto velocidad de datos
• Bajo consumo de energía
• Inmunidad
• Seguridad
• Rangos razonables
• Bajo costo.
Todas estas características hacen de la tecnología UWB la apropiada para redes caseras.
50
Figura 1.26: Características de UWB y aplicaciones comerciales y militares relevantes.
•
UWB y la Tv digital:
Una de las áreas de aplicación previsible de la tecnología UWB, será la transmisión de
datos para televisión digital de alta definición. El gran ancho de banda (20Mbps/streams)
necesarios para la secuencia de televisión de alta definición hace que sea difícil para enviar de
forma inalámbrica vía el enlace de otra banda más estrecha. El vínculo UWB ofrece ancho de
banda suficiente para soportar la transmisión de corriente múltiple.
posible transmitir datos de vídeo de alta definición de forma
inalámbrica entre TV de alta definición digital y reproductor de DVD, eliminando la necesidad de
cables.
Además
UWB hace
51
1.10 SOLUCIONES SIMILARES:
A PULSE LINK CWAVE TECHNOLOGY.
Es la primera solución en el mercado para la extensión del rango de la UWB, la cual facilita
la distribución cuarto a cuarto de transmisiones múltiples contenidos multimedia y de HDTV sobre
conexiones coaxiales y UWB simultáneamente en un mismo chip, siendo estos distribuidos en el
hogar mediante una terminal con conectividad inalámbrica. Esta tecnología soporta conexiones
que proveen y aseguran la calidad del servicio que requiere una red de alta definición además de
la operación simultánea de la red Gigabit Ethernet. De esta manera se da un acercamiento de la
UWB en comunicaciones robustas con soporte de altas tasas de transferencia (Pulse~Link, 2008).
Con esta tecnología se da el acceso inalámbrico de alta velocidad a pantallas de plasma,
cámaras personales, teatros en casa, proyectores, HD-DVD, Blue Ray y consolas de videojuegos,
con el cual se genera una conectividad con la cual comparten contenido multimedia, con una
latencia menor a un frame por segundo, la cual habilita comunicación inalámbrica en tiempo real a
todos los dispositivos. Pulse~Link da esta solución debido a que en Norteamérica la mayoría de las
casas cuentas con cables coaxiales y suscripciones a proveedores de servicios de cable o satélite,
con lo cual al usar UWB se expanden las posibilidades de contenido digital personal y comerciales.
De esta manera se asegura la convivencia de la UWB con sistemas ya existentes sin un costo
extra de más dispositivos para el usuario final.
Esta tecnología se considera hibrida, debido a que se transmiten al mismo tiempo el
coaxial y el inalámbrico, es decir que se pueden conectar los dispositivos alámbricos e
inalámbricos simultáneamente y comunicarse entre sí creando una red multimedia completa.
UROOF (Ultra-WideBand Radio Over Optical Fibre)
El objetivo principal de UROOF (Radio de Ultra banda ancha sobre fibra óptica) es
investigar la construcción de bloques para permitir la entrega de la señal UWB sobre fibra óptica de
bajo costo. Los objetivos son, por tanto, de estudiar, desarrollar, probar e implementar a un bajo
costo soluciones para la conversión directa de óptico a UWB (O/UWB) y UWB a óptico (UWB/O)
que se basa en conceptos innovadores de fotónica de microondas.
A diferencia de la técnica de radio sobre fibra (RoF) que se utilizan en la columna vertebral
de los sistemas de acceso inalámbrico, UROOF abordará los desafíos de las redes de área
personal inalámbricas de bajo costo. UROOF estudiará varios criterios que incluyen: el desarrollo
de conceptos para la prueba de convertidores O/UWB y UWB/O basados en innovadores
convertidores de microondas controlados ópticamente (OCMC). En un nuevo estudio se ocupará
de mejorar el transceiver de electroabsorción (EAT) para aplicaciones UWB. Estos convertidores
se integrarán con los terminales UWB de radio frecuencia (RF) y comprometerán el acceso de
nodos a muy bajo costo para aplicaciones UROOF (Ran, 2008).
52
INTRODUCCION A UROOF
En UROOF el reto está en el difícil problema de bajo costo y alto rendimiento de la
conversión de señales de comunicación modulada de datos de alta velocidad del dominio de la
óptica (sobre fibras monomodo y multimodo) al dominio de la radio frecuencia y viceversa. UROOF
se centra en los conceptos de componentes y dispositivos fotónicos que se aplicaran para la
transmisión de señales UWB sobre redes hibridas inalámbricas/fibra. En muchos casos los 10m de
rango de UWB son demasiados cortos para muchas aplicaciones residenciales. UROOF brinda a
UWB grandes beneficios para la cobertura de zonas mucho más amplias, habilitando altas
velocidades de transmisión de datos hasta distancias de 10 - 10000 metros como se ilustra en la
Figura 1.27.
Figura 1.27: Rango de extensión para aplicaciones de UWB.
UROOF direcciona la extensión del área de cobertura teniendo en cuenta los requisitos de
bajo costo, desarrolla innovadores componentes que se ocupan de la fotónica de bajo costo de la
conversión óptica a UWB y viceversa. Los enfoques existentes para ampliar el limitado corto
alcance con la alta velocidad de transmisión de UWB no están disponibles a consideración o son
demasiado costosos para las WPAN en el mercado. UROOF desarrollará nuevos dispositivos de
modulación para distribuir UWB sobre fibra en una forma económica. Para esta solución se adapta
a la tecnología que emplea: UWB. UROOF empleará soluciones genéricas y escalables que se
pueden aplicar fácilmente a otros casos tecnologías exigentes (por ejemplo, la ampliación del
rango de redes de área local inalámbricas, WLAN).
53
1.11 OBSERVACIONES:
A continuación se presentan algunas observaciones interesantes acerca de UWB:
•
Se cree que los productos basados en UWB OFDM Multibanda darán la mejor
oportunidad de tener éxito con el respaldo de la industria y las normas. El punto fuerte es
llegar a una plataforma común de UWB que consiste en una capa física (PHY) y una capa
de control de acceso a medios (MAC). Por encima de esto, la convergencia de capas, cada
una de las conexiones a sus propias ya sea 1394 (FireWire), W-USB, Bluetooth, Ethernet o
de otros deben de abarcar todos la misma plataforma. En pocas palabras, UWB necesita
ser bien recibida en los mundos de la PC y la Electrónica de Consumo (CE), así como
alcanzar una mayor propagación y aceptación en el mercado (CE Association, 2004).
•
La industria CE para UWB está siendo generalmente aceptada, los usuarios finales
están exigiendo aumento de la funcionalidad y la normalización de conectividad o mejor
aún, la funcionalidad para interoperar con productos de otros vendedores.
•
UWB puede desempeñar un importante papel en sus futuras generaciones de
teléfonos. Debido a las exigencias de hoy en día de parte de los usuarios, estos
dispositivos necesitan cada vez más mejoras de las capacidades de transferencia de
archivos para que los usuarios puedan trasladarlos a la PC y a otros dispositivos.
•
Una vez que los fabricantes adopten a UWB como una solución de reemplazo a los
cables, los fabricantes de cámaras digitales, videocámaras, móviles y dispositivos CE,
tales como reproductores de MP3 serán inalámbricos ofreciendo conexiones de alta
velocidad entre el PC y tales dispositivos.
•
La CE marca la pauta que incluye plataformas tales como HDTV , receptores
digitales, receptores de A/V, altavoces, proyectores de cine en casa y set-top boxes, en las
cuales encuentra como contendiente a la interfaz alámbrica FireWire.
54
1.12 UWB FORUM.
El Forum UWB sirve como un recurso para la industria fabricante de equipos para
establecer los beneficios y aplicaciones de DS-UWB; la cual es la única solución posicionada UWB
para alcanzar el mercado en el 2004.
Las empresas miembro de este Forum son:
AboCom Systems, Inc.
Adaptive Labs, Inc.
Æther Wire & Location, Inc.
Akira
Allion Computer, Inc.
Anna University
Appairent Technologies, Inc.
Artimi Ltd
Bansonic
Beijing University of Posts & Telecom
CWINS, WPI
Computer Access Technology
Corporation
CoWare, Inc.
decaWave Ltd.
DSP enabled Communications
Eaton Corporation
Electronic Technology Systems
Korea Electronics Technology Institute
MeshNetworks, Inc.
Metrowerks
Micro-Star International Co., Ltd.
Millennial Net, Inc.
Mobile Communication Research
Motorola, Inc.
Multirate Systems
Netac Technology Co., Ltd.
NiCT
Occipol
Orangeware Corporation
PROBE Science, Inc.
Profilo Telr@
Pulse~LINK, Inc.
RF Micro Devices, Inc.
Raritan Computer, Inc.
Emerging Technologies Limited
Faraday Technology Corporation
Freescale Semiconductor, Inc.
Furaxa, Inc.
Gemtek Technology Co., Ltd.
Genius Institute of Technology
Global Sun Technology
GTN S.p.A.
Gradiente Eletrônica S/A
Haier Group
Hetrogenous, Inc.
Ikegami lab, Meiji University
innov8rs™, LLC
Intermec Technologies Corporation
Intrinsix Corp
Kohnolab in Yokohama National
University
Remotek Corporation
RoyalDigital Inc.
Shanghai University
Sipex Corporation
Tallika Corporation
TimeDerivative, Inc.
Toyocom U.S.A., Inc.
TÜV Rheinland of North America, Inc.
Universal Scientific Industrial
University of Science and Technology of
China
University of Wollongong
Uraxs Communications, Inc.
Vabric, Inc.
Verisity Ltd.
ViD Research, Inc.
Wireless Dynamics, Inc.
Wong’s Electronics Co., Ltd.
55
1.13 ESTADO ACTUAL.
A finales del 2007 OctoScope realizó pruebas sobre la tecnología UWB con los principales
exponentes de UWB en el mercado de hoy en día: Pulse~Link y WiMedia. En el reporte fueron
expuestas las características principales de cada vendedor, desde los esquemas de propagación,
protocolos de control y modos de operación, haciendo comparaciones con distintos dispositivos
ofrecidos por ambos exponentes. Dando como resultado lo mostrado en la figura 28:
Figura 1.28: Resultados de la prueba realizada por OctoScope (Mlinarsky y Ziegler, 2007).
“Hemos medido implementaciones tempranas de UWB a través de dos tecnologías clave
disponibles en la actualidad: CWave y WiMedia. Mientras que WiMedia es implementado por la
mayoría de los proveedores de ultra banda ancha, esta tecnología ha demostrado hasta ahora
menos que el rendimiento óptimo. ¿La mayoría de los mercados han cometido un error al seguir el
campo de WiMedia? Los vendedores de WiMedia nos dicen que productos nuevos y más capaces
vienen en camino. Estamos dispuestos a llevar a cabo otra prueba que pueda demostrar el
verdadero potencial de WiMedia“(Mlinarsky y Ziegler, 2007). “Los resultados que tenemos hoy
56
revelan que la modulación basada por pulsos UWB ejecutado por Pulse~LINK está muy por
encima de la WiMedia con mas de 500 Mbps de rendimiento a nivel de la capa de aplicación para
CWave vs 50 Mbps de rendimiento de WiMedia. La tecnología CWave de Pulse~LINK ha cumplido
la promesa de UWB de distribución de vídeo de alta definición.” “Con una salida inalámbrica y
coaxial de más de 500 Mbps y una poderosa MAC habilitada con QoS capaz de controlar y proveer
buen rendimiento en diversos dispositivos multimedia en casa, CWave parece ser el claro líder en
la tecnología de creación de redes y está bien posicionado para emerger como la arquitectura del
siglo 21 para conectividad multimedia en todo el hogar”.
SITUACIÓN INTERNACIONAL.
La tecnología UWB está planteada para uso básicamente en tres diferentes áreas:
a) Sistemas de Comunicaciones para Electrónica de Consumo: Banda de frecuencias de 3,1 a 10,6
GHz.
b) Sistema de radar de corto alcance para vehículos: Banda de frecuencias en torno a los 24 GHZ.
c) Sistemas de Imágenes y aplicaciones militares: Rango de frecuencias menores a 1 GHz, aun no
definidas y en proceso de pruebas.
Existe un significativo interés internacional por el uso e implicancias de la tecnología Ultra Wide
Band. En general existen dos puntos coincidentes de preocupación en casi todas las
administraciones involucradas:
•
El potencial de interferencia sobre otros servicios.
•
El método de acomodación de los dispositivos con esta tecnología en la radio regulación
considerando que UWB puede ser utilizada en un amplio rango del espectro de
frecuencias, que podrían incluir servicios de diferente tipo (Fijo, Movil, Satelital) de acuerdo
a las Atribuciones de la ITU.
Los dispositivos con tecnología UWB funcionan empleando pulsos de duración muy corta que
dan lugar a anchuras de banda muy grandes en la transmisión.
Con estándares técnicos apropiados, estos dispositivos pueden funcionar en la sección de
espectro de frecuencias ocupado por servicios de radio existentes sin causar interferencia,
permitiendo que los recursos escasos del espectro sean utilizados más eficientemente.
Es por ello que los servicios o dispositivos que utilizan UWB están aún en proceso de testeo
por parte de las autoridades reguladoras de Estados Unidos, en la banda de frecuencias de 3,1 a
10,6 GHz.
Durante 2003, la FCC ha estado realizando consultas con la industria y mediciones de
interferencia producidas por los dispositivos UWB en otras bandas y servicios (podrían ser
afectados los servicios GPS o Global Positioning Systems).
Uno de los temas más relevantes por tratarse de sistemas públicos, es la interferencia que
estos dispositivos UWB podrían producir en los servicios móviles celulares PCS o AMPS.
Para ello y basado en las mediciones, la FCC ha recomendado, aun en forma provisoria, una
serie de limitaciones a los niveles de interferencia, a fin de permitir la operación de la tecnología
57
UWB coordinadamente con otros servicios, ver referencia documento FCC “Memorandum Opinion
and Order and Further Notice of Proposed Rule Making” - FCC Marzo 2003).
El Ministerio de Telecomunicaciones de Japón ha demostrado mucho interés en el desarrollo
de dispositivos domésticos usando la tecnología UWB. Se planea implementar dispositivos para
uso en interior tales como videocámaras y computadores. En Agosto 2002, el Communications
Research Centre de Japón, formó un grupo de estudio de la tecnología UWB una de cuyas
misiones es trabajar en el Japan’s Communications Research Laboratory. Con la industria de
UWB de ese país para el establecimiento de normas y estándares junto a otros cuerpos
estandarizadores.
SITUACION EN CHILE.
Propuesta de regulación para UWB.
Teniendo en cuenta las aplicaciones que los fabricantes de estos equipos están
proponiendo, tales como en electrónica de consumo en general con interfaz UWB, equipamiento
computacional, sistemas de radar en vehículos, manipulación de imágenes, entre otras, se estima
que en el futuro existirán muchos dispositivos que en forma natural, serán portadores de alguna
interfaz UWB. Esto significa que no se necesitará una compleja infraestructura de
telecomunicaciones para el desarrollo y aplicación de UWB.
Regulación del Espectro de Frecuencias UWB.
La tecnología Ultra Wide Band se caracteriza por ser de corta distancia en su área de
cobertura, solo unos cuantos metros, en general nunca más de 100 metros. Por ello, podría
considerarse que la cobertura de los dispositivos UWB no exceden los límites de un domicilio. Por
esta razón es que la autorización de uso de frecuencias para esta tecnología no debiera ser
impedimento para la incorporación de estos dispositivos a nuestras vidas.
Se debiera definir una Normativa especial sujeta sólo a una autorización de Subtel, que
permita su operación, en forma similar a lo que hoy se maneja en torno a los teléfonos inalámbricos
domiciliarios de 900 MHz u otros. No se vislumbran aún aplicaciones que nos hagan pensar en
asignación de frecuencias a través de Concursos Públicos o asignaciones específicas por
proyecto. Una de las propuestas tecnológicas UWB que hoy se discute y analiza en el concierto
internacional (Motorola – Xtreme Spectrum), permite la compartición de frecuencias con otros
servicios utilizando técnicas de Espectro Ensanchado.
Regulación de los Servicios ofrecidos utilizando UWB.
Por sus características de cobertura, UWB está inserta en el concepto de un Servicio
Limitado de Telecomunicaciones. Por su característica tecnológica e interferencias mínimas o
nulas sobre otros servicios, existirán muchos dispositivos domésticos operando con UWB. Por lo
anterior se recomienda estudiar y generar las condiciones legales que permitan el despliegue
rápido de la tecnología en Chile. Consideramos que Subtel puede, con las atribuciones que le
otorga la legislación vigente, producir el ordenamiento jurídico necesario, en el marco de la Ley
General de Telecomunicaciones vigente.
Oportunidad de Regular UWB.
Considerando especialmente las aplicaciones domésticas, militares y también de
telecomunicaciones, y si esta tecnología se enmarca en un Servicio Limitado, se recomienda
reservar las bandas de frecuencias asociadas (3,1 a 10,6 GHz), asignadas a un tipo de servicio
58
que permita la operación, sin mayor restricción a todos los dispositivos de electrónica de consumo
y otros similares indicados anteriormente.
Con respecto a las bandas de frecuencia para Sistemas de Imágenes y Sistemas de Radar
de corto alcance para vehículos, no se ha detectado en el transcurso de este estudio, mayor
información y precisiones definitivas respecto de la banda de frecuencias asociadas, por lo cual se
recomienda esperar que decanten los procesos de investigación principalmente en la FCC para
iniciar los estudios correspondientes de reserva de frecuencias en Chile.
Por su característica de cobertura pequeña (unos pocos metros) la autorización de esta
tecnología en Chile se asemeja a un Servicio Limitado de Telecomunicaciones. Sin embargo
Subtel debiera producir las condiciones jurídicas para permitir el uso masivo de los dispositivos con
esta tecnología.
59
CAPITULO 2: ZIGBEE
•
2.1 ¿Qué ES?
ZigBee es un estándar de comunicaciones inalámbricas diseñado por la ZigBee Alliance.
Es un conjunto estandarizado de soluciones que pueden ser implementadas por cualquier
fabricante. ZigBee está basado en el estándar IEEE 802.15.4 de redes inalámbricas de área
personal (wireless personal área Newark, WPAN) y tiene como objetivo las aplicaciones que
requieren comunicaciones seguras con baja tasa de envío de datos y maximización de la vida útil
de sus baterías.
ZigBee es un sistema ideal para redes domóticas, específicamente diseñado para
reemplazar la proliferación de sensores/actuadores individuales. ZigBee fue creado para cubrir la
necesidad del mercado de un sistema a bajo coste, un estándar para redes Wireless de pequeños
paquetes de información, bajo consumo, seguro y fiable.
2.2 ESTANDAR.
•
Estándar IEEE 802.15.4
IEEE 802.15.4 es un estándar que define el nivel físico y el control de acceso al medio de
redes inalámbricas de área personal con tasas bajas de transmisión de datos (low-rate wireless
personal área network, LR-WPAN). La actual revisión del estándar se aprobó en 2006. El grupo de
trabajo IEEE 802.15 es el responsable de su desarrollo.
También es la base sobre la que se define la especificación de ZigBee, cuyo propósito es
ofrecer una solución completa para este tipo de redes construyendo los niveles superiores de la
pila de protocolos que el estándar no cubre.
Las principales características de esta norma son la flexibilidad de la red, bajo coste, bajo
consumo de energía y baja velocidad de datos en una red ad hoc de auto-organización económica
entre los dispositivos fijos, portátiles y móviles. Está desarrollado para aplicaciones con requisitos
de rendimiento relajado que no puede manejar el consumo de energía de las pilas de protocolos
pesados.
Figura 2.1: Espacio del Estándar IEEE 802.15.4
60
2.3 USOS.
Los protocolos ZigBee están definidos para su uso en aplicaciones encastadas con
requerimientos muy bajos de transmisión de datos y consumo energético. Se pretende su uso en
aplicaciones de propósito general con características auto organizativas y bajo costo (redes en
malla, en concreto). Puede utilizarse para realizar control industrial, albergar sensores empotrados,
recolectar datos médicos, ejercer labores de detección de humo o intrusos o domótica. La red en
su conjunto utilizará una cantidad muy pequeña de energía de forma que cada dispositivo
individual pueda tener una autonomía de hasta 5 años antes de necesitar un recambio en su
sistema de alimentación.
Diseñado para los controles inalámbricos y sensores. Funciona en redes de área personal
(PAN) y el dispositivo-dispositivo para redes. La conectividad entre los dispositivos de paquetes
pequeños. Control de luces, interruptores, termostatos, electrodomésticos, etc.
61
2.4 CARACTERISTICAS.
ZigBee, también conocido como "HomeRF Lite", es una tecnología inalámbrica con
velocidades comprendidas entre 20 kB/s y 250 kB/s.
Los rangos de alcance son de 10 m a 75 m.
Puede usar las bandas libres ISM (6) de 2,4 GHz (Mundial), 868 MHz (Europa) y 915
MHz (EEUU).
Una red ZigBee puede estar formada por hasta 255 nodos los cuales tienen la mayor parte
del tiempo el transceiver ZigBee dormido con objeto de consumir menos que otras tecnologías
inalámbricas.
Un sensor equipado con un transceiver ZigBee pueda ser alimentado con dos pilas AA
durante al menos 6 meses y hasta 2 años.
La fabricación de un transmisor ZigBee consta de menos circuitos analógicos de los que se
necesitan habitualmente.
Diferentes tipos de topologías como estrella, punto a punto, malla, árbol.
Acceso de canal mediante CSMA/CA (7) (acceso múltiple por detección de portadora con
evasión de colisiones).
Escalabilidad de red -- Un mejor soporte para las redes más grandes, ofreciendo más
opciones de gestión, flexibilidad y desempeño.
Fragmentación -- Nueva capacidad para dividir mensajes más largos y permitir la
interacción con otros protocolos y sistemas.
Agilidad de frecuencia -- Redes cambian los canales en forma dinámica en caso que
ocurran interferencias.
Gestión automatizada de direcciones de dispositivos - El conjunto fue optimizado para
grandes redes con gestión de red agregada y herramientas de configuración.
Localización grupal -- Ofrece una optimización adicional de tráfico necesaria para las
grandes redes.
Puesta de servicio inalámbrico -- El conjunto fue mejorado con capacidades seguras para
poner en marcha el servicio inalámbrico.
Recolección centralizada de datos -- El conjunto fue sintonizado específicamente para
optimizar el flujo de información en las grandes redes.
62
2.5 ESTRUCTURA.
Siguiendo el estándar del modelo de referencia OSI (Open Systems Interconnection), en el
gráfico, aparece la estructura de la arquitectura en capas. Las primeras dos capas, la física y la de
acceso al medio MAC, son definidas por el estándar IEEE 802.15.4. Las capas superiores son
definidas por la Alianza ZigBee y corresponden a las capas de red y de aplicación las cuales
contienen los perfiles del uso, ajustes de la seguridad y la mensajería. Los cometidos principales
de la capa de red son permitir el correcto uso del subnivel MAC y ofrecer un interfaz adecuado
para su uso por parte del nivel inmediatamente superior. Sus capacidades, incluyendo el ruteo, son
las típicas de un nivel de red clásico.
Figura 2.2: Arquitectura Zigbee basada en el modelo OSI.
Por una parte, la entidad de datos crea y gestiona las unidades de datos del nivel de red a
partir del payload del nivel de aplicación y realiza el ruteo en base a la topología de la red en la que
el dispositivo se encuentra. Por otra, las funciones de control del nivel controlan la configuración de
nuevos dispositivos y el establecimiento de nuevas redes; puede decidir si un dispositivo colindante
pertenece a la red e identifica nuevos routers y vecinos. El control puede detectar así mismo la
presencia de receptores, lo que posibilita la comunicación directa y la sincronización a nivel MAC.
La trama general de operaciones (GOF) es una capa que existe entre la de aplicaciones y
el resto de capas. La GOF suele cubrir varios elementos que son comunes a todos los dispositivos,
como el subdireccionamiento, los modos de direccionamientos y la descripción de dispositivos,
como el tipo de dispositivo, potencia, modos de dormir y coordinadores de cada uno. Utilizando un
modelo, la GOF especifica métodos, eventos, y formatos de datos que son utilizados para constituir
comandos y las respuestas a los mismos.
La capa de aplicación es el más alto definido por la especificación y, por tanto, la interfaz
efectiva entre el nodo ZigBee y sus usuarios. En él se ubican la mayor parte de los componentes
definidos por la especificación: tanto los objetos de dispositivo ZigBee (ZigBee device objects,
ZDO) como sus procedimientos de control como los objetos de aplicación que se encuentran aquí.
63
2.6 DISPOSITIVOS.
Se definen tres tipos distintos de dispositivo ZigBee según su papel en la red:
•
Coordinador ZigBee (ZigBee Coordinator, ZC): El tipo de dispositivo más completo.
Debe existir uno por red. Sus funciones son las de encargarse de controlar la red y los
caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos, requiere memoria y
capacidad de computación.
•
Router ZigBee (ZigBee Router, ZR): Interconecta dispositivos separados en la topología
de la red, además de ofrecer un nivel de aplicación para la ejecución de código de usuario.
•
Dispositivo final (ZigBee End Device, ZED): Posee la funcionalidad necesaria para
comunicarse con su nodo padre (el coordinador o un router), pero no puede transmitir
información destinada a otros dispositivos. De esta forma, este tipo de nodo puede estar
dormido la mayor parte del tiempo, aumentando la vida media de sus baterías. Un ZED
tiene requerimientos mínimos de memoria y es por tanto significativamente más barato.
Funcionalidad:
Basándose en su funcionalidad, puede plantearse una segunda clasificación:
•
Dispositivo de funcionalidad completa (FFD): También conocidos como nodo activo. Es
capaz de recibir mensajes en formato 802.15.4. Gracias a la memoria adicional y a la
capacidad de computar, puede funcionar como Coordinador o Router ZigBee, o puede ser
usado en dispositivos de red que actúen de interfaces con los usuarios.
•
Dispositivo de funcionalidad reducida (RFD): También conocido como nodo pasivo.
Tiene capacidad y funcionalidad limitadas con el objetivo de conseguir un bajo coste y una
gran simplicidad. Básicamente, son los sensores/actuadores de la red. Un nodo ZigBee
(tanto activo como pasivo) reduce su consumo gracias a que puede permanecer dormido la
mayor parte del tiempo (incluso muchos días seguidos). Cuando se requiere su uso, el
nodo ZigBee es capaz de despertar en un tiempo ínfimo, para volverse a dormir cuando
deje de ser requerido. Un nodo cualquiera despierta en aproximadamente 15 ms. Además
de este tiempo, se muestran otras medidas de tiempo de funciones comunes: Nueva
enumeración de los nodos esclavo (por parte del coordinador): aproximadamente 30 ms.
Acceso al canal entre un nodo activo y uno pasivo: aproximadamente 15 ms.
64
2.7 PROTOCOLOS.
Los protocolos se basan en investigaciones recientes sobre algoritmos de red (ad hoc ondemand distance vector, vector de distancias bajo demanda; neuRFon) para la construcción de
redes ad-hoc de baja velocidad. La mayoría de redes grandes están pensadas para formar un
cluster de clusters. También puede estructurarse en forma de malla o como un solo cluster. Los
perfiles actuales de los protocolos soportan redes que utilicen o no facilidades de balizado.
Las redes sin balizas (aquéllas cuyo grado de balizado es 15) acceden al canal por medio
de CSMA/CA. Los routers suelen estar activos todo el tiempo, por lo que requieren una
alimentación estable en general. Esto, a cambio, permite redes heterogéneas en las que algunos
dispositivos pueden estar transmitiendo todo el tiempo, mientras que otros sólo transmiten ante la
presencia de estímulos externos. El ejemplo típico es un interruptor inalámbrico: un nodo en la
lámpara puede estar recibiendo continuamente ya que está conectado a la red; por el contrario, un
interruptor a pilas estaría dormido hasta que el mecanismo se activa. En una red así la lámpara
sería un router o coordinador, y el interruptor un dispositivo final.
Si la red utiliza balizas, los routers las generan periódicamente para confirmar su presencia
a otros nodos. Los nodos pueden desactivarse entre las recepciones de balizas reduciendo su ciclo
14
de servicio (duty cycle). Los intervalos de balizado pueden ir desde 15,36 ms a 15,36 ms * 2 =
14
251,65824 segundos a 250 Kbps; de 24 ms a 24 ms * 2 = 393,216 segundos a 40 Kbps; y de 48
14
ms a 48 ms * 2 = 786,432 segundos a 20 Kbps Sin embargo, los periodos largos con ciclos de
servicio cortos necesitan que una temporización precisa, lo que puede ir en contra del principio de
bajo coste.
En general, los protocolos ZigBee minimizan el tiempo de actividad de la radio para evitar
el uso de energía. En las redes con balizas los nodos sólo necesitan estar despiertos mientras se
transmiten las balizas (además de cuando se les asigna tiempo para transmitir). Si no hay balizas,
el consumo es asimétrico repartido en dispositivos permanentemente activos y otros que sólo no
están esporádicamente.
Los dispositivos ZigBee deben respetar el estándar de WPAN de baja tasa de transmisión
IEEE 802.15.4-2003. Éste define los niveles más bajos: el nivel físico (PHY) y el control de acceso
al medio (MAC, parte del nivel de enlace de datos, DLL). El estándar trabaja sobre las
bandas ISM de uso no regulado detallada más arriba. Se definen hasta 16 canales en el rango de
2,4 GHz, cada uno de ellos con un ancho de banda de 5 MHz. La frecuencia central de cada canal
puede calcularse como: FC = (2405 + 5*(k-11)) MHz, con k = 11, 12,..., 26.
Las radios utilizan un espectro de dispersión de secuencia directa. Se utiliza BPSK en los
dos rangos menores de frecuencia, así como un QPSK ortogonal que transmite dos bits por
símbolo en la banda de 2,4 GHz. Ésta permite tasas de transmisión en el aire de hasta 250 Kbps,
mientras que las bandas inferiores se han ampliado con la última revisión a esta tasa desde los 40
Kbps de la primera versión. Los rangos de transmisión oscilan entre los 10 y 75 metros, aunque
depende bastante del entorno. La potencia de salida de las radios suele ser de 0 dBm (1 mW).
Si bien en general se utiliza CSMA/CA para evitar colisiones en la transmisión, hay algunas
excepciones a su uso: por una parte, las tramas siguen una temporización fija que debe ser
respetada; por otra, las confirmaciones de envíos tampoco siguen esta disciplina; por último, si se
asignan slots de tiempo garantizados para una transmisión tampoco es posible que exista
contención.
65
2.8 HARDWARE Y SOFTWARE.
El software se ha diseñado para ejecutarse en procesadores y microcontroladores de bajo
coste, con un diseño de radio muy optimizado para lograr bajos costes con altos volúmenes de
producción. Utiliza circuitos digitales siempre que es posible y evita los componentes analógicos.
Si bien el hardware es sencillo, el proceso de certificación de un dispositivo conlleva una
validación completa de los requerimientos del nivel físico. Esta revisión intensiva tiene múltiples
ventajas, ya que todas las radios fabricadas a partir de una misma máscara de semiconductor
gozarán de las mismas características de radiofrecuencia. Por otro lado, un nivel físico mal
controlado podría perjudicar no sólo al propio dispositivo, sino al consumo de energía de otros
dispositivos en la red. Otros estándares pueden compensar ciertos problemas, mientras que
ZigBee trabaja en márgenes muy estrechos de consumo y ancho de banda. Por ello, según el
802.15.4, las radios pasan validaciones ISO 17025. La mayoría de fabricantes planea integrar la
radio y el microcontrolador en un único chip. Lo cual permite crear dispositivos más compactos. Así
como Texas Instruments dispone de sus Soc. (System on chip).
Para separar hardware y software se utiliza la capa física PHY, La PHY proporciona dos
servicios: el servicio de datos PHY y servicio de gestión PHY de la interfaz con la capa física
entidad de gestión (PLME). El servicio de datos PHY permite la transmisión y recepción de datos
de protocolo PHY unidades (PPDU) a través del canal de radio física. Las características de la PHY
son la activación y desactivación del transmisor-receptor de radio, detección de energía (ED),
indicación de la calidad del enlace (ICT), la selección de canales, la evaluación del canal claro
(CCA) y transmisión, así como paquetes que reciben a través del medio físico.
La norma ofrece dos opciones de PHY basado en la banda de frecuencias. Ambas se
basan en directo Espectro ensanchado por secuencia (DSSS). La velocidad de datos es 250kbps a
2,4 GHz, 915 MHz y en 40kbps 20KBps a 868MHz. La velocidad de datos superior a 2,4 GHz se
atribuye a una modulación de orden superior régimen. Baja frecuencia de proporcionar un mayor
alcance debido a las pérdidas de propagación más baja. Baja tasa puede ser traducida en una
mejor sensibilidad y una mayor área de cobertura. El mayor porcentaje significa un mayor
rendimiento, menor latencia o menor ciclo de trabajo. Esta información se resume en la Figura.
PHY
(MHz)
868/915
2450
Banda de
Frecuencia
Spreading parameters
Data parameters
Modulation
868-868.6
Chip
rate
300
BPSK
Bit
(Kb/s)
20
902-928
600
BPSK
2000
O-QPSK
2400
2483.5
–
rate
Symbol
rate
(Ksymbol/s)
20
Symbols
40
40
Binary
250
62,5
16-ary
Ortogonal.
Binary
Tabla 2.1: bandas de frecuencias y rango de datos.
No hay un solo canal entre 868 y 868.6MHz, 10 canales entre 902,0 y 928.0MHz,
y 16 canales de entre 2,4 y 2,4835 GHz como se muestra en la Figura 2.3. Varios canales en
diferentes bandas de frecuencia permite la posibilidad de reubicarse dentro del espectro. La norma
también permite dinámico selección de canales, una función de búsqueda que los pasos a través
de una lista de canales apoyadas en la búsqueda de la baliza, receptor de detección de la energía,
la indicación la calidad del enlace, cambio de canal.
66
Receptor sensibilidades son-85dbm de 2,4 GHz y-92dBm de 868/915MHz. La
ventaja de 6-8dB proviene de la ventaja de un tipo inferior
La potencia máxima de transmisión se ajustará a las normas locales. Un dispositivo
compatible tendrá su nivel de potencia de transmisión nominal indicada por el parámetro PHY,
phyTransmitPower.
Figura 2.3: Bandas de operación de frecuencias.
67
2.9 CONEXIÓN.
•
Topología.
La capa de red soporta múltiples configuraciones de red incluyendo estrella, árbol, punto a
punto y rejilla (malla).
En la configuración en estrella, uno de los dispositivos tipo FFD asume el rol de
coordinador de red y es responsable de inicializar y mantener los dispositivos en la red. Todos los
demás dispositivos zigbee, conocidos con el nombre de dispositivos finales, hablan directamente
con el coordinador.
En la configuración de rejilla, el coordinador ZigBee es responsable de inicializar la red y de
elegir los parámetros de la red, pero la red puede ser ampliada a través del uso de routers ZigBee.
El algoritmo de encaminamiento utiliza un protocolo de pregunta-respuesta (request-response)
para eliminar las rutas que no sean óptimas, La red final puede tener hasta 254 nodos. Utilizando
el direccionamiento local, se puede configurar una red de más de 65000 nodos (216).
Para la topología punto a punto, existe un solo FFD Coordinador. A diferencia con la
topología estrella, cualquier dispositivo puede comunicarse con otro siempre y cuando estén en el
mismo rango de alcance circundante. Las aplicaciones orientadas para el monitoreo y control de
procesos industriales, redes de sensores inalámbricos, entre otros, son ampliamente usados por
estas redes. Proveen confiabilidad en el enrutamiento de datos (multipath routing).
La topología de árbol es un caso especial de topología de conexión punto a punto, en la
cual muchos dispositivos son FFDs y los RFD pueden conectarse como un nodo único al final de la
red. Cualquiera de los FFDs restantes puede actuar como coordinadores y proveer servicios de
sincronización hacia otros dispositivos o coordinadores.
Figura 2.4: Tipos de topologías.
68
•
LR-WPAN de dispositivos Arquitectura.
La figura 2.5 muestra un dispositivo de LR-WPAN. El dispositivo cuenta con un PHY, que
contiene la frecuencia de radio (RF) transmisor-receptor, junto con su mecanismo de control de
bajo nivel, y una subcapa MAC que proporciona acceso al canal físico para todo tipo de
transferencia. Las capas superiores se compone de una capa de red, que proporciona la
configuración de red, la manipulación y el enrutamiento de mensajes, y la capa de aplicación, que
proporciona la función prevista de un dispositivo. Un control de vínculo lógico IEEE 802.2
Figura 2.5: Arquitectura LR-WPAN dispositivo.
•
Tipos de Trafico de Datos.
ZigBee/IEEE 802.15.4 dirige tres tipos de tráfico típicos:
1. Cuando el dato es periódico: La aplicación dicta la proporción, el sensor se activa, chequea los
datos y luego desactiva.
2. Cuando el dato es intermitente: La aplicación, u otro estímulo, determina la proporción, como
en el caso de los detectores de humo. El dispositivo necesita sólo conectarse a la red cuando la
comunicación se hace necesaria. Este tipo habilita el ahorro óptimo en la energía.
3. Cuando el dato es repetitivo: La proporción es a priori fija. Dependiendo de las hendeduras de
tiempo repartidas, los dispositivos operan para las duraciones fijas.
69
•
Estrategias de conexión de los dispositivos en una red Zigbee.
Las redes ZigBee han sido diseñadas para conservar la potencia en los nodos esclavos. De
esta forma se consigue el bajo consumo de potencia. La estrategia consiste en que, durante
mucho tiempo, un dispositivo esclavo está en modo dormido, de tal forma que solo se despierta por
una fracción de segundo para confirmar que está vivo en la red de dispositivos de la que forma
parte. Esta transición del modo dormido al modo despierto (modo en el que realmente transmite),
dura unos 15ms, y la enumeración de "esclavos" dura alrededor de 30ms.
En las redes Zigbee, se pueden usar dos tipos de entornos o sistemas:
•
Con balizas:
Es un mecanismo de control del consumo de potencia en la red. Permite a todos los
dispositivos saber cuándo pueden transmitir. En este modelo, los dos caminos de la red tienen un
distribuidor que se encarga de controlar el canal y dirigir las transmisiones. Las balizas que dan
nombre a este tipo de entorno, se usan para poder sincronizar todos los dispositivos que
conforman la red, identificando la red domótica, y describiendo la estructura de la "supertrama".
Los intervalos de las balizas son asignados por el coordinador de red y pueden variar desde los
15ms hasta los 4 minutos.
Este modo es más recomendable cuando el coordinador de red trabaja con una batería. Los
dispositivos que conforman la red, escuchan a dicho coordinador durante el "balizamiento" (envío
de mensajes a todos los dispositivos -broadcast-, entre 0,015 y 252 segundos). Un dispositivo que
quiera intervenir, lo primero que tendrá que hacer es registrarse para el coordinador, y es entonces
cuando mira si hay mensajes para él. En el caso de que no haya mensajes, este dispositivo vuelve
a "dormir", y se despierta de acuerdo a un horario que ha establecido previamente el coordinador.
En cuanto el coordinador termina el "balizamiento", vuelve a "dormirse".
•
Sin balizas:
Se usa el acceso múltiple al sistema Zigbee en una red punto a punto cercano. En este tipo,
cada dispositivo es autónomo, pudiendo iniciar una conversación, en la cual los otros pueden
interferir. A veces, puede ocurrir que el dispositivo destino puede no oír la petición, o que el canal
esté ocupado.
Este sistema se usa típicamente en los sistemas de seguridad, en los cuales sus dispositivos
(sensores, detectores de movimiento o de rotura de cristales), duermen prácticamente todo el
tiempo (el 99,999%). Para que se les tenga en cuenta, estos elementos se "despiertan" de forma
regular para anunciar que siguen en la red. Cuando se produce un evento (en el sistema será
cuando se detecta algo), el sensor "despierta" instantáneamente y transmite la alarma
correspondiente. Es en ese momento cuando el coordinador de red, recibe el mensaje enviado por
el sensor, y activa la alarma correspondiente. En este caso, el coordinador de red se alimenta de la
red principal durante todo el tiempo.
•
Comunicación y descubrimiento de dispositivos.
Para que los dispositivos que forman una aplicación puedan comunicarse, deben utilizar un
protocolo de aplicación compartido. Estas convenciones se agrupan en perfiles. Las decisiones de
asociación se deciden en base a la coincidencia entre identificadores de clusters de entrada y
salida, que son únicos en el contexto de un perfil dado y se asocian a un flujo de datos de entrada
o salida en un dispositivo; las tablas de asociaciones mantienen los pares de identificadores fuente
y destino.
70
En base a la información disponible, el descubrimiento de dispositivos puede adecuarse
utilizando varios métodos distintos. Si se conoce la dirección de red, se pide la dirección
IEEE utilizando unicast). Si no es así, se pide por broadcast, y la dirección IEEE forma parte de la
respuesta. Los dispositivos hoja (end devices) responden con la dirección propia solicitada,
mientras que routers y coordinadores envían también las direcciones de todos los dispositivos
asociados a ellos.
Este protocolo extendido permite indagar acerca de dispositivos dentro de una red y sus
servicios ofrecidos a nodos externos a la misma. Los endpoints pueden informar acerca de estos
servicios cuando el protocolo de descubrimiento dirige mensajes a ellos. También pueden utilizarse
servicios de emparejamiento oferta-demanda.
Los identificadores de cluster favorecen la asociación entre entidades complementarias por
medio de tablas de asociación, mantenidas en los coordinadores ZigBee ya que estas tablas
siempre han de estar disponibles en una red (los coordinadores son, de entre todos los nodos, los
que con mayor seguridad dispondrán de una alimentación continua). Los backups a estas tablas,
de ser necesarios para la aplicación, han de realizarse en niveles superiores. Por otra parte, el
establecimiento de asociaciones necesita que se haya formado un enlace de comunicación; tras
ello, se decide si adjuntar un nuevo nodo a la red en base a la aplicación y las políticas de
seguridad.
Nada más establecerse la asociación puede iniciarse las comunicaciones. El
direccionamiento directo utiliza la dirección de radio y el número de endpoints; por su parte, el
indirecto necesita toda la información relevante (dirección, endpoints, cluster y atributo) y la envía
al coordinador de la red, que mantiene esta información por él y traduce sus peticiones de
comunicación. Este direccionamiento indirecto es especialmente útil para favorecer el uso de
dispositivos muy sencillos y minimizar el almacenamiento interno necesario. Además de estos dos
métodos, se puede hacer broadcast a todos los endpoints de un dispositivo, y direccionamiento de
grupos para comunicarse con grupos de endpoints de uno o varios dispositivos distintos.
71
2.10 MODULACION.
•
Técnicas de Modulación.
Zigbee opera en dos bandas de frecuencia:
2.4 GHz con tasa máxima de transferencia de 250 Kbps, para este caso, modula en O-QPSK
(Modulación con desplazamiento de fase en cuadratura con desplazamiento temporal).
868-928 MHz para tasa de datos entre 20 y 40 Kbps, para este otro, modula en BPSK (Modulación
con desplazamiento de fase binaria).
Modulación OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying):
La modulación OQPSK consiste en realizar una transición de fase en cada intervalo de
señalización de bits, por portadora en cuadratura.
Modulación BPSK (Binary Phase Shift Keying):
En esta modulación se tiene como resultados posibles dos fases de salida para la
portadora con una sola frecuencia. Una fase de salida representa un 1 lógico y la otra un 0 lógico.
Conforme la señal digital de entrada cambia de estado, la fase de la portadora de salida se
desplaza entre dos ángulos que están 180° fuera de fase.
ZigBee y su espectro compartido con WLAN.
o
o
o
o
Un canal entre 868MHz y 868.6MHz, Ch1 hasta Ch10.
Diez canales entre 902.0MHz y 928.0MHz, Ch1 hasta Ch10.
Dieciséis canales entre 2.4GHz y 2.4835GHz, Ch11 hasta Ch26.
El estándar ZigBee especifica una sensibilidad en el receptor de -85dBm en la banda de
los 2.4GHz. Y una sensibilidad de -92dBm en la banda 865/915MHz.
72
2.11 SEGURIDAD.
La seguridad de las transmisiones y de los datos son puntos clave en la tecnología ZigBee.
ZigBee utiliza el modelo de seguridad de la subcapa MAC IEEE 802.15.4, la cual especifica
4 servicios de seguridad.
Control de accesos: El dispositivo mantiene una lista de los dispositivos comprobados en la red.
Datos Encriptados: Los cuales usan una encriptación con un código de 128 bits.
Integración de tramas: Protegen los datos de ser modificados por otros.
Secuencias de refresco: Comprueban que las tramas no han sido reemplazadas por otras. El
controlador de red comprueba estas tramas de refresco y su valor, para ver si son las esperadas.
•
Modelo básico de seguridad.
Las claves son la base de la arquitectura de seguridad y, como tal, su protección es
fundamental para la integridad del sistema. Las claves nunca deben transportarse utilizando un
canal inseguro, si bien existe una excepción momentánea que se da en la fase inicial de la unión
de un dispositivo desconfigurado a una red. La red ZigBee debe tener particular cuidado, pues una
red ad hoc (12) puede ser accesible físicamente a cualquier dispositivo externo y el entorno de
trabajo no se puede conocer de antemano. Las aplicaciones que se ejecutan en concurrencia
utilizando el mismo transceptor deben, así mismo, confiar entre sí, ya que por motivos de coste no
se asume la existencia de un cortafuego entre las distintas entidades del nivel de aplicación.
Los distintos niveles definidos dentro de la pila de protocolos no están separados
criptográficamente, por lo se necesitan políticas de acceso, que se asumen correctas en su diseño.
Este modelo de confianza abierta (open trust) posibilita la compartición de claves disminuyendo el
coste de forma significativa. No obstante, el nivel que genera una trama es siempre el responsable
de su seguridad. Todos los datos de las tramas del nivel de red han de estar cifradas, ya que
podría haber dispositivos maliciosos, de forma que el tráfico no autorizado se previene de raíz. De
nuevo, la excepción es la transmisión de la clave de red a un dispositivo nuevo, lo que dota a toda
la red de un nivel de seguridad único. También se posible utilizar criptografía en enlaces punto a
punto.
•
Arquitectura de seguridad.
ZigBee utiliza claves de 128 bits en sus mecanismos de seguridad. Una clave puede asociarse
a una red (utilizable por los niveles de ZigBee y el subnivel MAC) o a un enlace.
Las claves de enlace se establecen en base a una clave maestra que controla la correspondencia
entre claves de enlace. Como mínimo la clave maestra inicial debe obtenerse por medios seguros
(transporte o preinstalación), ya que la seguridad de toda la red depende de ella en última
instancia. Los distintos servicios usarán variaciones unidireccionales (one-way) de la clave de
enlace para evitar riesgos de seguridad.
Es claro que la distribución de claves es una de las funciones de seguridad más
importantes. Una red segura encarga a un dispositivo especial la distribución de claves: el
denominado centro de confianza (trust center). En un caso ideal los dispositivos llevarán
precargados de fábrica la dirección del centro de confianza y la clave maestra inicial. Si se
permiten vulnerabilidades momentáneas, se puede realizar el transporte como se ha descrito. Las
aplicaciones que no requieran un nivel especialmente alto de seguridad utilizarán una clave
enviada por el centro de confianza a través del canal inseguro transitorio.
73
Por tanto, el centro de confianza controla la clave de red y la seguridad punto a punto. Un
dispositivo sólo aceptará conexiones que se originen con una clave enviada por el centro de
confianza, salvo en el caso de la clave maestra inicial. La arquitectura de seguridad está distribuida
entre los distintos niveles de la siguiente manera:
El subnivel MAC puede llevar a cabo comunicaciones fiables de un solo salto. En general,
utiliza el nivel de seguridad indicado por los niveles superiores.
El nivel de red gestiona el ruteo, procesando los mensajes recibidos y pudiendo hacer
broadcast de peticiones. Las tramas salientes usarán la clave de enlace correspondiente al ruteo
realizado, si está disponible; en otro caso, se usará la clave de red.
El nivel de aplicación ofrece servicios de establecimiento de claves al ZDO y las
aplicaciones, y es responsable de la difusión de los cambios que se produzcan en sus dispositivos
a la red. Estos cambios podrían estar provocados por los propios dispositivos (un cambio de
estado sencillo) o en el centro de confianza, que puede ordenar la eliminación de un dispositivo de
la red, por ejemplo. También encamina peticiones de los dispositivos al centro de seguridad y
propaga a todos los dispositivos las renovaciones de la clave de red realizadas por el centro. El
ZDO mantiene las políticas de seguridad del dispositivo.
2.12 FUTURO DE ZIGBEE.
Se espera que los módulos ZigBee sean los transmisores inalámbricos más baratos de la
historia, y además producidos de forma masiva. Tendrán un coste aproximado de alrededor de los
6 euros, y dispondrán de una antena integrada, control de frecuencia y una pequeña batería.
Ofrecerán una solución tan económica porque la radio se puede fabricar con muchos menos
circuitos analógicos de los que se necesitan habitualmente.
74
CAPITULO 3: BLUETOOTH.
3.1 Generalidades:
El SIG (grupo de interés especial) de Bluetooth, nace en el año 1998 en Washington como una
Organización sin ánimo de lucro, fundada por Ericsson, IBM, Intel, Toshiba y Nokia.
A fines de 1999 se unieron a este grupo 3Com, Lucent, Microsoft y Motorola, siendo
conformada al día de hoy por más de 9000 empresas de Telecomunicaciones y afines.
Tiene personal dedicado al desarrollo e investigación en Hong Kong, Suecia y Estados Unidos. En
el año 2002 la IEEE aprueba la especificación 802.15.1 en conformidad con la tecnología
inalámbrica Bluetooth.
Es una especificación industrial para Redes Inalámbricas de Área Personal (WPANs) que
posibilita la transmisión de voz y datos entre diferentes dispositivos mediante un enlace por
radiofrecuencia.
Los objetivos que se pretenden conseguir con esta norma son:
1. Facilitar las comunicaciones entre equipos móviles y fijos.
2. Eliminar cables y conectores entre éstos.
3. Ofrecer la posibilidad de crear pequeñas redes inalámbricas y facilitar la sincronización de datos
entre equipos personales.
Versiones (saltos más significativos):
Bluetooth v.1.0 (1998): Se desarrolla la primera interfaz de bajo costo y consumo, capaz de
interconectar distintos dispositivos mediante señales de RF.
Bluetooth v.1.2 (2003): Provee una solución inalámbrica complementaria para co-existir con WiFi en el mismo espectro. Se mejora la performance de transmisión y cifrado.
Bluetooth v.2.0 (2004): La característica principal de esta nueva versión es el aumento de su
velocidad de transmisión de 1 Mbps a 3 Mbps
Bluetooth v.2.1 (2007): Simplifica los pasos para crear la conexión entre dispositivos, además el
consumo de potencia es 5 veces menor.
75
3.2 ARQUITECTURA BLUETOOTH.
Hay dos formas de ver cualquier diseño de sistemas de comunicación; por su arquitectura
y por su funcionalidad.
Un acercamiento hacia la arquitectura enfatiza las divisiones lógicas de un sistema y como
son compatibles.
•
Red WPAN (Wireless Personal Area Network) Bluetooth:
La WPAN opera en la banda libre de los 2.4 GHz. Se utiliza un transceptor de fast frequencyhop (1600 saltos/seg) para evitar la interferencia y la caída de señales.
Para reducir la complejidad del transceptor se utiliza la técnica binaria FSK (frequency shift
keying) para transmitir símbolos con un rango de 1 Símbolos/s. Se utiliza un canal ranurado, cada
ranura de tiempo tiene una duración de 625 µs.
Una trama rápida de TDD (time division duplex) se utiliza para permitir comunicaciones full
duplex en capas superiores. En el canal, la información se intercambia a través de paquetes. Cada
paquete se transmite en una frecuencia diferente dentro de la secuencia de espera (salto).
Figura 3.1: Arquitectura basada en el modelo OSI.
Un paquete normalmente cubre una sola ranura, pero se puede extender de tres a cinco
ranuras. Para tráfico de datos, de manera unidireccional es posible transmitir un máximo de 723.2
kb/s entre dos dispositivos. Un canal bidireccional soporta un tráfico de voz entre dos dispositivos
con una velocidad de hasta 64 kb/s. La inestabilidad para el tráfico de voz se mantiene bajo al usar
ranuras de tiempo pequeñas en la transmisión.
76
Figura 3.2: Transporte de información.
El paquete abarca un código de acceso de tamaño fijo, el cual es utilizado, entre otras cosas,
para distinguir una WPAN de otra. El encabezado del paquete de tamaño fijo, que se utiliza para
manejar la transmisión en una WPAN y una carga de datos de tamaño variable, que transporta
información de capas superiores.
Debido al tamaño tan reducido de de estos paquetes, se necesita que una capa superior
dividida en segmentos más cortos la carga antes de que sea transmitida al aire.
77
3.3 TOPOLOGÍA DE CONEXIÓN DE LAS WPAN BLUETOOTH.
Picored (Piconet):
Una picored es una WPAN formada por dispositivos Bluetooth que sirven como maestros
en la picored y uno o más dispositivos Bluetooth que sirven de esclavos.
Un canal de frequency-hopping basado en la dirección del maestro define cada picored.
Todos los elementos participantes en una comunicación dentro de una picored dada son
sincronizados al canal de frequency-hopping, utilizando el reloj del equipo maestro de la picored.
Los dispositivos esclavos solo se comunican con el maestro en una estructura punto a
punto bajo el control del maestro.
Las transmisiones del maestro deben de ser ya sea de la forma punto a punto o bien punto
a multipunto (Brodcast). Durante una sección de comunicación un elemento esclavo puede
comportarse como maestro en un momento dado y viceversa.
Redes scatternet WPAN Bluetooth:
Es una colección de varias picoredes en operación que se traslapan en tiempo y en
espacio. Un aparato Bluetooth puede participar en múltiples picoredes al mismo tiempo, por lo que
existe la posibilidad de que la información fluya más allá de las fronteras de una picored.
Un aparato en una scatternet puede ser esclava en varias picoredes, pero puede ser
maestra en solo una de ellas.
Figura 3.3: Scatternet
78
Bluetooth Stack:
Figura 3.4: Bluetooth Stack.
Es una aplicación que gestiona todos los servicios del puerto Bluetooth
El Stack bluetooth incluye:
Link Manager Protocol
LMP
Logical
Link Control and Adaptation Protocol
L2CAP
Estos son protocolos específicos, pero también incluye protocolos no específicos a saber:
OBEX (Object Exchange Protocol)
PPP (point to point protocol)
WAP (wireless application protocol)
Cuando se diseño el protocolo se hizo pensando principalmente en optimizar la
reutilización de los protocolos existentes. La capa del LLC no es parte de las especificaciones
Bluetooth.
79
•
•
•
RFCOMM es un puerto serial de emulación que permite heredar las aplicaciones sobre los
links Bluetooth.
TCS son capas de control de telefonía y capas de señalización para aplicaciones
avanzadas de telefonía.
DSP es una capa de servicio que permite, a los dispositivos Bluetooth, pedir a otros
dispositivos servicios que ellos pueden proveer.
Capa Física (PHY):
Figura 3.5: Capas del modelo OSI.
La PHY es la primera de 7 capas del modelo OSI y es responsable de la transmisión de
bits entre sistemas adyacentes sobre un canal aéreo.
La descripción de esta capa se limita a los siguientes puntos:
1. Recepción de una trama de bits de la subcapa MAC y la transmisión de una trama de bits vía
ondas de radio hacia una estación asociada.
2. Recepción de ondas de radio de alguna estación asociada y la conversión de estas a una trama
de bits que se transmite hacia la MAC.
80
3.4 ARQUITECTURA DE RADIO.
•
Espectro:
Los dispositivos Bluetooth funcionan en la banda de 2,4 GHz, una de las bandas de radio ISM
(industrial, científica y médica) que no requieren licencia.
Así mismo, usan un transmisor de salto de frecuencia para contrarrestar las interferencias y la
pérdida de intensidad.
•
Sistemas de modulación:
Transferencia básica: GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying)
Transferencia de datos mejorada (EDR): π/4-DQPSK (2Mbps) y 8DPSK (3Mbps)
•
Banda de frecuencias y organización de Canales:
La banda de frecuencias abarca 2400 - 2483,5 MHz.
De acuerdo al diagrama, se definen 79 canales de RF organizados por números, de 0 a 78,
con un espacio de 1 MHz entre ellos, (Excepto Francia y España) a saber:
Lugar
USA, Europa, mayoría de los
países.
Francia
Rango de frecuencias (GHz)
2.400 – 2.4835
Canales de RF.
f = 2402 +k MHz, k=0…78
2.4565 – 2.4835
f = 2454 +k MHz, k=0…22
Tabla 3.1: Banda de frecuencias y organización de Canales.
•
Características del transmisor:
Clase
Clase 1
Clase 2
Clase 3
Potencia máxima
permitida. (mW)
100
2.5
1
Potencia máxima
permitida (dBm)
20
4
0
Rango (aproximado)
100
10
1
Tabla 3.2: Características del transmisor.
El EDR nos posibilita enviar parte del paquete a una velocidad de 1 Mbps (cabecera,
código de acceso), siendo esta modulada en GFSK y el resto (cola, sincronización y carga útil) a
2Mbps o 3Mbps.
Figura 3.6: Formato estándar de paquetes del modo de transferencia básica.
81
Figura 3.7: Formato estándar de paquetes para la transferencia de datos mejorada.
•
Características del receptor:
Se define el nivel de sensibilidad real como el nivel de entrada para el cual se satisface un
porcentaje de error de bit (BER) del 0,1%; en caso de usar EDR el (BER) será 0,01%. Para
cualquier transmisor Bluetooth, la sensibilidad del receptor será de –70 dBm o inferior.
Se mide la interferencia co-canal y canales adyacentes para 1Mhz y 2Mhz, 10dB sobre el nivel
de sensibilidad de referencia. Para el resto de los canales deberá tener 3dB por encima del nivel
de sensibilidad de referencia.
Igual criterio se emplea para el uso de EDR (Enhanced Data Rate).
82
3.5 ESPECIFICACIONES DE BANDA BASE.
Se describe las especificaciones del control de link que transporta los protocolos y las demás
rutinas de menor nivel.
•
Descripción General:
El sistema Bluetooth consiste de una unidad de radio, una unidad de control de link y una
unidad de soporte para el manejo de las funciones y del terminal de servicio de la interface.
Figura 3.8: diagrama en bloques del sistema bluetooth.
Figura 3.9: Ranuras de tiempo y paquetes de información.
Tanto el código de acceso como el encabezado son siempre de un tamaño estándar: 72
bits y 54 bits respectivamente. Los datos útiles pueden variar de cero a un máximo de 2745 bits.
Se han definido diferentes tipos de paquetes. Los paquetes pueden consistir de códigos
puros de acceso, el código de encabezado así como el código de acceso o puede contener los tres
tipos de datos.
Código de acceso:
Este código de información se utiliza para la sincronización, niveles de offset de
compensación y como identificación.
83
Los códigos de acceso identifican todos los paquetes de intercambio en el canal de la
picored, todos los paquetes que se mandan en la picored son precedidos por el mismo código de
acceso al canal.
El código de acceso también se utiliza para los procedimientos de voceo. En este caso, el
mismo código de acceso se utiliza como mensaje de señalización por lo que no es necesario
mandar datos de encabezado o de información extra.
Figura 3.10: código de acceso.
Existen tres tipos de códigos de acceso:
Código de acceso a canal (CAC).
Código de acceso a dispositivos (DAC).
Código de acceso a información (IAC).
Preámbulo.
Figura 3.11: preámbulo.
Palabra de sincronía.
La palabra de sincronía es un código de 64 bits derivado de una dirección de 24 bits.
Trailer.
Igual idea que el preámbulo.
Head.
El encabezado contiene información del link de control (LC) y consiste de seis campos.
AM_ADDR: 3 bits que direccional a los miembros activos.
TYPE: 4-bits de tipo de código.
FLOW: 1 bit de control de flujo.
ARQN: 1 bit indicador de acknowledge.
SEQN: 1 bit de número de secuencia.
HEC: 8 bits de detección de error.
Figura 3.12: Encabezamiento.
84
AM_ADRR:
El AM_ADDR representa la dirección de un miembro y se utiliza para distinguir entre
miembros activos y miembros participantes en la picored. En una picored, uno o más esclavos
están conectados a un maestro. Para identificar a un esclavo por separado, cada esclavo es
asignado temporalmente a una dirección de 3 bits para ser usada cuando se active. Todos los
paquetes que se intercambian entre el maestro y el esclavo transportan el AM_ADDR del esclavo.
TYPE:
Se pueden distinguir 16 tipos diferentes de paquetes. El código TYPE de 4-bits especifica
qué tipo de paquete se utiliza. Es importante notar que la interpretación de los códigos TYPE
depende del link físico asociados con el paquete, se debe de determinar hacia donde se manda el
paquete, a un link SCO o a un link ACL.
FLOW:
Este bit se utiliza para el control de paquetes sobre el link ACL. Cuando el buffer de RX
para el link ACL en el recipiente está lleno, se regresa una señal de alto (FLOW=0) para parar la
transmisión de datos.
ARQN:
El indicador de acknowledgment de 1-bit ARQN se utiliza para informar de una fuente que
ha trasmitido exitosamente con un CRC, y puede ser un acknowledgment positivo ACK o uno
negativo NAK. Si la recepción fue exitosa, se regresa un ACK (ARQN = 1), de lo contrario se
regresa un NAK (ARQN = 0).
CRC Mecanismo de detección de errores de sistemas digitales
ACK (ARQN = 1)
NAK (ARQN = 0)
El ARQN va en el encabezado del paquete de respuesta.
HEC (header-error-check):
Checa la integridad del encabezado. El HEC consiste de una palabra de 8-bits, antes de
revisar el HEC, el receptor debe de inicializar el circuito de revisión. Si el HEC no concuerda, el
paquete entero es desechado.
85
TIPO DE PAQUETES.
Figura 3.13: tipos de paquetes.
Canales Lógicos:
1.
2.
3.
4.
5.
Canal de control LC (Link Control)
Canal de control LM. (Link Manager)
Canal de usuario UA. (Datos síncronos de usuario)
Canal de usuario UI.
Canal de usuario US.
Los canales de control LC y LM son usados en a nivel de link de control y de manejo
respectivamente. Los canales de usuario UA, UI, y US, son usados para transportar datos
asíncronos e información sincronizada respectivamente.
86
Figura 3.14: Canales lógicos.
Bitstream:
Antes de que la información se mande sobre la interface aérea, se realizan algunas
manipulaciones de bit en el transmisor para incrementar confiabilidad y seguridad. Al encabezado
del paquete se le agrega un HEC. En el receptor, ser realiza el proceso contrario.
Figura 3.15: Bitstream.
87
Además del proceso al que es sometido la carga que contiene información del
encabezado, la carga útil de información puede ser sometida a un proceso de encriptación.
Figura 3.16: payload.
Audio Bluetooth:
Voice codecs.
Linear
8-bit logarithmic
CVSD
A-law
Μ-law
Tabla 3.3: Voice codecs.
Sobre la interfase aérea Bluetooth, se utiliza un formato PCM de 64 kb/s, o un CVSD
(Continuous Variable Slope Delta Modulation) también de 64 kb/s.
Código PCM de registro:
Dado que los canales de voz en la interface aérea soportan tramas de 64 kb/s, se puede
utilizar un código de registro PCM para transmisión de tráfico. Se puede aplicar una compresión
tipo A-law o µ-law. Los métodos de compresión utilizan las recomendaciones G.711 de la ITUT.
Código CVSD:
Un formato más robusto sobre la interface de voz es la modulación delta.
L2CAP:
Este protocolo soporta protocolos de más niveles de multiplexado, segmentación de
paquetes, y reensamble. Este describe el protocolo para definir el estado de los dispositivos,
formato de los paquetes y composición de los mismos. L2CAP proporciona conexión orientada y
servicios de desconexión de datos de servicios de capas superiores. L2CAP permite transmitir y
recibir a las capas superiores y aplicaciones. Los paquetes de datos del L2CAP tienen una longitud
de 64 kbytes.
88
Figura 3.17: L2CAP
Operación entre capas:
Las implementaciones L2CAP deben de transferir datos entre capas superiores del
protocolo y capas inferiores. Cada implementación debe también de soportar un número de
comandos de señalización. Las implementaciones L2CAP deben de estar preparadas para aceptar
ciertos tipos de eventos de capas inferiores y generar eventos en capas superiores.
Figura 3.18: Operación entre capas.
La unidad máxima de transmisión (MUT) para el L2CAP se exportará usando una
implementación específica para el servicio de la interface. Es responsabilidad de la capa superior
limitar el tamaño de los paquetes enviados a la capa L2CAP debajo del límite del MTU.
Si el L2CAP corre directamente sobre la banda base del protocolo, una implementación
debe de segmentar el paquete dentro de la banda base de paquetes para ser transmitidos al
puerto de salida. Si L2CAP corre bajo la interface del controlador (que es lo más común), una
implementación debe de mandar pedazos de información de un mismo tamaño hacia el controlador
del host en donde estos se convertirán en paquetes de banda base.
89
3.6 INTERFACE DE CONTROL.
Describe las especificaciones para la funcionalidad de la interface de control para el IEEE
Std 802.15.1. Esta se basa en la sección de HCI de las especificaciones Bluetooth.
Esta interfaz proporciona un método uniforme de acceso a la banda base Bluetooth.
La sección de HCI tiene dos funciones en la especificación Bluetooth:
1. Define las bases para una interfaz física con un modulo externo Bluetooth.
2. Define las funciones necesarias de control para todas las implementaciones Bluetooth.
Figura 3.19: Interface de control.
90
3.7 IEEE COMPARACIÓN BLUETOOTH.
La figura 53 muestra el mapa del concepto del protocolo IEEE 802 hacia componentes
Bluetooth descritos en este documento. Como se puede apreciar la PHY está compuesta por la
parte de RF y de la banda base. El MAC contiene al L2CAP y al resto la banda base. Las funciones
de manejo de la PHY, como la sincronización y generación de varias secuencias de frecuencia,
están incorporadas a la banda base.
Figura 3.20: mapa del concepto del protocolo IEEE 802.
91
CAPITULO 4: COMPARACIONES.
En las últimas décadas el desarrollo de la automatización de la industria ha evolucionado
rápidamente, incorporando diferentes disciplinas como la informática, control automático, sensores,
actuadores, etc., dando lugar a nuevas soluciones, con mejor rendimiento con el fin de obtener una
comunicación industrial que se hace más eficiente, rápida, de bajo consumo y costo.
Para efectos de interconexión, un sistema de automatización en industria se puede
combinar con diversos sensores, controladores y máquinas heterogéneas utilizando una
especificación de mensaje común. Muchos tipos de redes diferentes se han promovido para su uso
en una planta de producción, incluido el control de red de área (CAN), Proceso de bus de campo
(Profibus), Modbus, y etc. Sin embargo, la forma de seleccionar un estándar de red adecuada para
una aplicación en particular es un tema crítico para el sector industrial ingenieros.
Por otra parte, para acceder a redes y servicios sin necesidad de cables, las
comunicaciones inalámbricas son un rápido crecimiento tecnología para proporcionar la flexibilidad
y la movilidad. Obviamente, la reducción de la restricción por cable es uno de los beneficios de la
tecnología inalámbrica con respecto a los dispositivos cableados. Otros beneficios incluyen la
formación de redes dinámicas y de bajo costo y fácil implementación. En general, la escena
inalámbrica de corto alcance está actualmente en manos de cuatro protocolos: el Bluetooth y UWB,
ZigBee y Wi-Fi, que se corresponde a la IEEE 802.15.1, 802.15.3, 802.15.4 y estándares
802.11a/b/g, respectivamente. IEEE define la física (PHY) y MAC capas para las comunicaciones
inalámbricas a través de una radio de acción alrededor de 10 a 100 metros.
La siguiente tabla resumen las principales diferencias entre los tres estándares
mencionados a lo largo de este trabajo, cada protocolo se basa en un estándar IEEE. Obviamente
UWB proporciona una mayor velocidad de datos, mientras que Bluetooth y ZigBee poseen una
más baja. En general, la Bluetooth, UWB y ZigBee son para WPAN.
Especificación IEEE
Banda de frecuencia
Alcance
Rango de datos
Técnica
modulación
Canales
Potencia de salida
de
Interfaz aire
Vida de la batería
Dispositivos en la red
Potencia
de
transferencia
Nominal tx power
Mecanismo
de
coherencia
UWB
802.15.3
2.4 Ghz
3.1 -10.6 Ghz (802.15.3a)
10-20 m.
11,22,33,44 o 55 Mbps
100-500 Mbps
QPSK, DQPSK
Bluetooth
802.15.1
2.4 Ghz
Zigbee
802.15.3
2.4 Ghz
Hasta 100 m.
1-2 Mbps
10 – 20 m.
20,40 o 250 Mbps.
GFSK
BPSK
3o4
6 mW
1 mW
DS-UWB
MB-OFDM
Meses
78
100 mW
26
1 mW
FHSS
DSSS
-41.3 dBm/Mhz
Meses
7
0-10 dBm
Años
256
(-25) -0 dBm
Adaptative freq. Hopping
Adaptative freq. Hopping
Dynamic
Selection.
freq.
92
Basic cell
Extensión basic cell
Encriptación
Data protection
Max. Data rate
(Mbits/seg)
Bit time (useg)
Max data payload
(bytes)
Max overhead
(bytes)
Chipset
VDD (volt)
Tx (mA)
Rx (mA)
Piconet
Peer to peer
AES block cipher
(CTR, counter mode)
32 bit CRC
110
10k bytes
0,009
2044
Piconet
Scatternet
Shared secret
Estrella
Cluster tree, mesh
CBC-MAC
16 bit CRC
0,72
16 bit CRC
0,25
1,39
339
4
102
42
158/8
31
Xs110
3.3
227.3
227.3
Bluecore 2
57
57
47
CC2430
24.7
24.7
27
Tabla 4.1: comparación de parámetros entre UWB, Bluetooth y Zigbee.
CANALES DE RADIO:
Los canales de radio Bluetooth y ZigBee se han extendido técnicas de espectro en la
banda de 2,4 GHz, que no tiene licencia en la mayoría de los países y conocido como el industrial,
científico y médicos (ISM). Bluetooth utiliza saltos de frecuencia (FHSS) con 79 canales y un ancho
de banda 1 MHz, mientras que ZigBee utiliza el espectro extendido de secuencia directa (DSSS)
con 26 canales y 2 MHz de ancho de banda. UWB usa el 3.1-10.6 GHz, con un no aprobado y
atascado 802.15.3a estándar, de los cuales dos técnicas de propagación, DSUWB y MB-OFDM,
son las utilizadas.
MECANISMO DE COEXISTENCIA:
Desde Bluetooth, ZigBee y UWB utiliza la banda de 2,4 GHz. Básicamente, Bluetooth y
UWB utilizan el espectro ensanchado por salto de frecuencia, para minimizar interferencias y
mejorar el sistema de seguridad, mientras que ZigBee utiliza Dynamic frequency con el fin de
enviar la información por el canal menos congestionado.
TAMAÑO DE LA RED:
Para una red UWB y bluetooth podemos conectar 8 (7 esclavos más un maestro) dispositivos
por piconet y tener hasta 10 piconets frente a una red ZigBee puede constar de un máximo de 65535
nodos distribuidos en subredes de 255 nodos.
SEGURIDAD:
Los tres estándares tienen protocolos de cifrado y autenticación. Bluetooth utiliza el cifrado
E0 stream cipher y shared secret con comprobación de redundancia cíclica de 16 bits (CRC), con
93
E0 stream cipher se genera una secuencia de pseudo- números y la combina con los datos
mediante el XOR operador. La longitud de la clave puede variar, pero generalmente es de 128 bits.
Mientras que UWB y ZigBee adoptaron el estándar de cifrado avanzado (AES) con el
modo de contador (CTR) y el bloque de cifrado encadenamiento de código de autenticación de
mensajes (CBC-MAC), también conocido como CTR con CBC-MAC (CCM), con 32 bits y 16 bits.
TIEMPO DE TRANSMISIÓN:
El tiempo de transmisión depende de la velocidad de datos, el tamaño del mensaje y la
distancia entre dos nodos. La fórmula para tiempo de transmisión (ms) puede ser descrito como:
Donde ndata es el tamaño
de los
datos, NmaxPld es la
carga máxima
de
tamaño, Novhd es el tamaño del encabezado, Tbit es el tiempo de bit, y es Tprop el tiempo
de propagación entre dos dispositivos. Como se muestra en la figura 4.1, el tiempo de transmisión
para la ZigBee es más
largo que los
otros debido
a la baja
velocidad
de
datos (250 Kbit / s), mientras que UWB requiere menos transmisión tiempo en comparación con
los demás. Obviamente, el
resultado
también
muestra el
tiempo
de
transmisión requerido es proporcional a los datos carga desproporcionada para el tamaño y la
velocidad de datos máxima.
Figura 4.1: comparación de transmisión tiempo versus tamaño de datos.
94
EFICIENCIA EN CODIFICACIÓN DE DATOS:
La eficiencia de codificación de datos se define por la relación entre el tamaño de los
datos y el tamaño del mensaje (es decir, el número total de bytes utilizados para transmitir los
datos).
La
figura
4.2
muestra los
datos
de eficiencia
de
la
codificación
de
las tres redes inalámbricas frente al tamaño de los datos. Para los de menor tamaño
de datos (alrededor de
339 bytes o
más
pequeños), Bluetooth
es la
mejor solución. Además, ZigBee tiene un buen
rendimiento para el
tamaño
de los
datos
menor que 102 bytes. Para los tamaños de datos de gran tamaño, Bluetooth y UWB,
han
de
tener
un
rendimiento mucho
mejor,
más
del
94%, como
en comparación con el 76,52% de ZigBee. Las discontinuidades en la figura 4.3 y 4.4
son causados por
la fragmentación de
datos, es
decir, el máximo
de
datos
de
carga
útil, que es
de
339, 2.044,
102 y 2312 bytes para
Bluetooth, UWB y Zigbee respectivamente.
Para una red de sensores inalámbricos en los sistemas de automatización de fábricas, la
mayor tamaño
de
los
datos de
la vigilancia y
control
industrial son
generalmente pequeñas, (por
ejemplo, los
datos
de temperatura en un medio
ambiente
el
seguimiento puede
requerir menos
de
4
bytes solamente),
Bluetooth y
Protocolos ZigBee puede
ser una buena
selección (de una codificación
de
datos
la eficiencia punto de vista) a pesar de su lenta velocidad de datos.
Figura 4.2: Comparison of the data coding efficiency versus the data size.
En esta sección se proporciona la evaluación de la función Bluetooth, UWB y ZigBee,
en diferentes aspectos. Es importante tener en cuenta varias pequeñas diferencias existentes
en la disposición fuentes. Por ejemplo, en el estándar IEEE 802.15.4, el rango de acción es de
unos 10 metros, mientras que es de 70-300m en la libertad documentos de ZigBee Alliance. Otros
factores, tales como el receptor la sensibilidad y la interferencia, desempeñan un papel importante
en alterar las el rendimiento en las implementaciones reales.
95
CONSUMO DE ENERGÍA:
Bluetooth y ZigBee son destinados a la alimentación portátil, distancias cortas, y
la energía de la batería limitada. Por lo tanto, el consumo el de energía es muy bajo y, en
algunos casos, no
afectan la
vida de la
batería. UWB es propuesto para corto
alcance
aplicaciones y datos de alta velocidad. Con
el fin de comparar la práctica del consumo
de energía, cuatro productos inalámbricos para el que se detallan características están disponibles
al
público se
presentan
brevemente como
ejemplo, incluyendo BlueCore2 de Cambridge,
SiliconRadio
de las
empresas
(RSE), XS110 [14] de Freescale, CC2430 de
Chipcon de Texas Instruments
(TI), y CX53111 [16] de
Conexant (Período de
Intersil PRISM). La corriente
consumos de la transmisión
(TX) y recepción
(RX) las
condiciones
para
cada protocolo se muestran en la Tabla 4.2. Los datos se muestran en la para determinados
productos, aunque son ampliamente representativos para la ejemplos del mismo tipo. La
figura 4.3 indica el poder
el
consumo en unidad mW para
cada protocolo. Obviamente,
Bluetooth y ZigBee consumen menos energía en comparación con UWB. Con base en la tasa
de bits, una comparación del consumo de energía normalizada se proporciona en figura
4.4. Desde un punto de vista, la UWB tiene una mejor eficiencia en el consumo de energía.
En resumen, Bluetooth y ZigBee son adecuados para los
datos
de baja
tipo
de aplicaciones con energía de
la
batería limitada (como móviles
dispositivos y redes
de sensores que funcionan con baterías), debido a su baja el consumo de energía que lleva
a una larga
vida
útil. Por otro
mano, para implementaciones de
alta velocidad de
datos (como audio / video sistemas de vigilancia), UWB sería mejor soluciones debido a su bajo
consumo de energía normalizada.
Figura 4.3: comparación, potencia consumida.
96
Figura 4.4: Comparison of the normalized energy consumption each protocol.
Tabla 4.2: Typical System parameters of the wireless protocols.
97
CAPITULO 5: VENTAJAS Y DESVENTAJAS.
UWB.
VENTAJAS
DESVENTAJAS
Eliminación de cables.
Su gran capacidad para alcanzar
velocidades para transferencia de datos.
altas
Al tener un BW muy grande es posible obtener
capacidades de canal grandes con SNR (Signal
Noise Relation) bajas, lo que hace posible
reducir
la
potencia
de
transmisión
comunicaciones de bajo consumo.
La transmisión se realiza a intervalos de
tiempo, mientras que en los otros sistemas se
transmite de forma continua, lo que supone un
ahorro energético considerable.
Interoperabilidad.
Tiene una gran robustez lo que le permite ser
más tolerante a interferencias y demás.
Los equipos de radio que usan UWB, ofrecen
un costo menor que los radios de banda
estrecha.
Solo funciona en espacios pequeños, esto
puede ser una desventaja si esta tecnología
quiere ser aplicada en lugares abiertos.
El ancho de banda es extremadamente grande
por lo que la energía del monociclo se expande
en un gran espectro frecuencial.
Interferencia sobre sistemas ya existentes.
Las señales UWB no son (especialmente)
periódicas, con lo cual no se forman líneas
espectrales con frecuencias significativas.
El uso de la máscara definida por la FCC evita
interferencias a los sistemas más comunes
Interferencia proveniente de sistemas ya
existentes:
Existe debido al elevado ancho de banda
de UWB.
El procesamiento es bastante robusto ante
interferencias con frecuencias centrales.
Funciona perfectamente en espacios cortos,
esto es una ventaja para los usuarios que
trabajen en espacios no muy grandes como lo
pueden ser sus hogares.
Reutilización de espectro.
Bajo costo.
98
BLUETOOTH.
VENTAJAS.
Eliminación de cables.
Poca interferencia en la recepción.
DESVENTAJAS.
Velocidad de transmisión muy lenta para
transferencia de archivos pesados (1 MB/seg.),
sin embargo ya están encaminados los
esfuerzos para tratar de aumentar su velocidad
a 100 MB/seg.
Tecnología ampliamente usada, especialmente
en equipos y móviles de reciente producción.
Cuando es usado inadecuadamente, podemos
recibir mensajes y archivos indeseados.
Podemos usar impresoras comunes con la
capacidad BT integrada e imprimir fotografías y
documentos directamente desde nuestros
móviles o PDA’s. También podemos imprimir
desde computadoras con esta integración a
esas impresoras.
Limitado radio de acción entre los periféricos.
Luego de esa distancia no hay garantías de
transmisión adecuada de datos.
Gran seguridad en el envío de datos.
Si nuestros móviles tienen la capacidad de
“chat”, podemos hacerlo sin costo alguno y sin
que nadie alrededor sepa de lo que se
conversa, tal como lo hacemos con el MSN.
Si nuestro computador tiene alguna vía de
soporte BT, ya sea con tarjeta interna o
adaptador USB, podemos sincronizar la agenda
de contactos y citas del móvil con la
computadora como lo hacemos con las Palm u
otros PDA’s. En otras palabras, nuestro celular
se convierte en un PDA limitado.
Limitación entre la cantidad de periféricos que
podemos usar. Los adaptadores bluetooth solo
permiten hasta 7 equipos “pareados”.
Gasta mucha energía de la batería, cuando
está en el modo visible.
Transmisión de virus para celulares, pero esto
solo lo sufren móviles con el sistema Symbian
OS serie 60.
Bluehacking.
Podemos transferir desde la computadora,
desde otro móvil o desde un PDA imágenes,
sonidos (ringtones) y tarjetas digitales de
contacto.
Podemos usar el acceso a internet de nuestro
móvil, conectando la computadora con él.
Podemos controlar (con software especializado)
nuestra computadora o periféricos a través de
un móvil con BT.
Crear redes inalámbricas entre computadoras,
pero con la salvedad que es un sistema muy
lento (1 MB/seg.).
99
ZIGBEE.
VENTAJAS.
DESVENTAJAS.
Ideal para conexiones punto a punto y punto a
multipunto.
Diseñado para el direccionamiento
información y el refrescamiento de la red.
de
Opera en la banda libre de ISM 2.4 Ghz para
conexiones inalámbricas.
Óptimo para redes
transferencia de datos.
de
baja
tasa
de
Alojamiento de 16 bits a 64 bits de dirección
extendida.
La tasa de transferencia es muy baja.
Solo manipula textos pequeños comparados
con otras tecnologías.
Zigbee trabaja de manera que no puede ser
compatible con bluetooth en todos sus aspectos
porque no llegan a tener las mismas tasas de
transferencia, ni la misma capacidad de soporte
para nodos.
Tiene menor cobertura porque pertenece a
redes inalámbricas de tipo WPAN.
Reduce tiempos de espera en el envío y
recepción de paquetes.
Detección de Energía (ED).
Baja ciclo de trabajo - Proporciona larga
duración de la batería.
Soporte para múltiples topologías de red:
Estática, dinámica, estrella y malla.
Hasta 65.000 nodos en una red.
128-bit AES de cifrado - Provee conexiones
seguras entre dispositivos.
Son más baratos y de construcción más
sencilla.
Ideal para conexiones punto a punto y punto a
multipunto.
Opera en la banda libre de ISM 2.4 Ghz para
conexiones inalámbricas.
Óptimo para redes
transferencia de datos.
de
baja
tasa
de
100
CAPITULO 6: APLICACIONES COMERCIALES.
En este capítulo se muestran solo algunos de la amplia gama de dispositivos que utilizan tanto
Ultrawide band, Bluetooth y Zigbee, debido a la gran cantidad de información se resumen sus
características principales. (Todos los valores están convertidos en pesos chilenos)
6.1 Dispositivos UWB.
•
ANTENNA CHIP UWB 3.1-5.2GH:
Proveedor
TDK Corporation
Category
RF y RFID
Frecuencia
3.1 – 5.2 GHz
Numero de bandas
1
Packaging
Cut Tape
VSWR
3
Antena
Chip
Height
1.2 mm
Termination
Surface mount
Ganancia
2 dBi
Precio
$3700
•
FIGURA 6.1: ANTENNA CHIP UWB 3.1-5.2GH
FILTER BANDPASS 3.1-4.9GHZ UWB:
Proveedor
TDK Corporation
Category
Filter antenna
Frecuencia
3.96 GHz.
Bandwidth
1.584 GHz.
Filter type
Bandpass
Ripple
2 dB
Insertion loss
2.7 dB
Precio
$150
FIGURA 6.2: FILTER BANDPASS 3.1-4.9GHZ UWB
101
•
FILTER BANDPASS UWB 4GHz:
Proveedor
TDK Corporation
Category
Filter antenna
Frecuencia
4 GHz.
Bandwidth
1.8 GHz.
Filter type
Bandpass
Ripple
-
Insertion loss
2.3 dB
Height
2.2 mm
Termination
Surface mount
Precio
$142
•
FIGURA 6.3: FILTER BANDPASS 4 GHZ UWB
441-1007-ND
Manufacturer
Lumex Opto components
Inc.
Description
Led mini wedge 470NM
BLU WTR CLR
Datasheets
SSP-01TWB7UWB12
Category
Optoelectronics
wavelenght
470nm
Voltage
12v
Price
$956
FIGURA 6.4: 441-1007-ND
102
•
AT91CAP9A-NA-UWB-EK-ND
Manufacturer
Atmel
Description
KIT BOARD DEV CAP9
ULTRAWIDE BAND
Datasheets
CAP Family Dev Kits
Category
Programmers,
Development Systems
Type
MCU
Price
-
•
FIGURA 6.5: KIT BOARD DEV CAP9 UWB.
TRANSCEIVER RF UWB 56-QFN
Manufacturer
Freescale Semiconductor
Description
TRANSCEIVER RF UWB
56-QFN
Datasheets
PC270113EP
Category
RF Transceivers
Applications
UWB (Ultra Wide Band
Voltage
2.5 V, 3.3 V
Price
FIGURA 6.6: KIT TRANSCEIVER RF UWB 56-QFN
103
6.2 Aplicaciones UWB.
•
Adaptador UWB DynaDock W20.
Toshiba nos presenta hoy su nuevo DynaDock W20, una actualización del DynaDock U que
destacada por su capacidad para transmitir de forma inalámbrica vídeo a 1080p (con color de 24
bits) y audio desde tu PC a una tele o pantalla externa. Además, sus cuatro puertos USB permiten
conectar por UWB toda clase de dispositivos, y hasta se promete la posibilidad de manejar hasta
tres monitores al mismo tiempo, aunque en su ficha técnica solo vemos una salida DVI-I. Ya es
posible encontrarlo en algunas tiendas online por cerca de $102.000.
Figura 6.7: Adaptador UWB DynaDock W20.
•
Asus EeeKeyboard PC, teclado con un ordenador integrado.
Asus EeeKeyboard PC es realmente ágil y permite acceder a las funcionalidades habituales.
Así, se podría seleccionar una película en el equipo mediante la interfaz táctil y verla en la pantalla
grande conectada mediante tecnología sin cables UWB (Ultra-Wide Band) o HDMI; seleccionar
fotos o música a modo de control remoto táctil; o consumir contenidos directamente en la pantalla,
pudiendo trabajar, por ejemplo, con una suite ofimática. La respuesta de la interfaz Easy Mode es
ágil sobre Windows XP, aunque será interesante ver cómo funciona sobre Windows 7.
El acceso a redes sociales o a aplicaciones como el navegador de Internet resulta también
inmediato desde la pantalla táctil con Asus Easy Mode, así como el disfrute de juegos o de
herramientas de aprendizaje en áreas como los idiomas, por ejemplo. La pantalla también puede
funcionar como touchpad multitáctil cuando se conecta a una pantalla externa.
Figura 6.8: Asus EeeKeyboard.
104
•
Leyio.
Se asemeja a un disco duro portátil personal cuya principal virtud es el tipo de conexión que
usa para comunicarse con su entorno: UWB (Ultra Wide Band), que nos deja una tasa de
transferencia de hasta 480 Mbits/s y que se usa en los dispositivos que se comunican vía WUSB.
Figura 6.9: Leyio.
6.3 Empresas en Chile que utilizan UWB.
•
Codelco:
La empresa líder en minería mundial, utiliza Ultrawide band para la identificación de personas.
•
Spring wireless:
Spring Wireless es una empresa ubicada en Santiago que provee soluciones integrales
móviles permitiendo a las personas y a las organizaciones incrementar su productividad, optimizar
procesos en tiempo real y maximizar el éxito en sus negocios. También ofrece UWWB como
soluciones a sus clientes.
105
6.4 Dispositivos Zigbee.
•
ATxMega128A3.
Manufacturer
Atmel
Description
MCU AVR 128K FLASH
1.8V 64-QFN
Datasheets
ATXMEGA
Preliminary
Category
Integrated Circuits (ICs)
Type
MCU
Price
$11,871
•
A3
Figura 6.10: ATxMega 126 A3.
XBee 1mW Chip Antenna.
Este es el módulo Zigbee más popular del mercado. Está basado en el protocolo
802.15.4 y su utilización es por medio de comandos seriales. Estos módulos permiten una
comunicación muy simple y confiable entre microcontoladores o más bien entre cualquier
dispositivo que posea un puerto serial. Soporta redes punto a punto y punto a multipunto
Figura 6.11: XBee 1mW Chip Antenna.
• XBee Explorer Regulated. ($6,876)
Traduce las señales de 5V a 3.3V, para que puedas conectar un sistema de 5v (hasta
3.3V) a cualquier módulo Xbee. El XBee Explorer Regulado, se encarga de la regulación de
3.3V, acondicionamiento de señales y indicadores se actividades básicos (Power, RSSI y leds
de actividad DIN/DOUT ) para el módulo Xbee. Esta unidad funciona con todos los módulos
XBee, incluyendo la Serie 1 y la Serie 2.5, versiones standard y profesional. Conecta un XBee
en esta placa y tendrás acceso a los pines de programación y pines de comunicación serial de
la unidad XBee. Podrás alimentar la unidad XBee con 5V.
Figura 6.12: XBee Explorer Regulated.
106
•
XBee Explorer Serial. ($18.228)
Una unidad base con conexión RS232 y fácil de usar para la línea Xbee. Esta unidad funciona
con todos los módulos Xbee incluyendo la serie 1 y la serie 2.5, versiones Standard y Pro. Conecta
la unidad en el Xbee Xplorer, adjunta el cable RS232, y podrás tener acceso directo a los pines de
programación y serial de la unidad Xbee. La placa también soporta comunicación DTR, para que
puedas reprogramar y configurar el módulo Xbee. El módulo Xbee, cable RS232 y la fuente de
poder se venden por separado.
Figura 6.13: XBee Explorer Serial.
•
XBee Pro 900 RPSMA ($39.940)
El módulo RF XBee-Pro 900 es ideal para aplicaciones punto a multi punto de baja latencia. El
módulo permite comunicación punto a punto y punto a multi punto. El Xbee-900 XSC es ideal para
aplicaciones que requieren transmisión a frandes distancias.
Como miembro de la familia XBee, el módulo es fácil de usar, utiliza el mismo conector y es
compatible con las soluciones de redes Drop-In que ha desarrollado Digi incluyendo adaptadores y
dispositivos gateway. El módulo puede ser configurado utilizando comandos AT.
Figura 6.14: XBee Pro 900 RPSMA.
107
6.5 Dispositivos Bluetooth.
•
Arduino Bluetooth ($113,883)
Esta es una plataforma Arduino muy popular con una conexión serial Bluetooth en vez de la
conexión USB. Ahora puedes tener tu Arduino sin cables!
El módulo Bluetooth utilizado en esta placa es el Bluegiga WT11, versión iWrap (ver la página de
Arduino para más detalles). El módulo bluetooth puede ser configurado con comandos vía el puerto
serial del ATmega 168 (ver la guía del usuario de iWrap). El programa para configurar el password
del módulo Bluetooth se corre una vez para cada Arduino BT. El nombre por defecto es
ARDUINOBT y el pass es 12345. Para mayores detalles ver el código fuente del programa de
inicialización. El ATmega168 viene pre cargado con un bootloader que permite subir scketches a la
placa vía Bluetooth. El código fuente del bootloader está disponible en el repositorio de Arduino.
Figura 6.15: XBee Pro 900 RPSMA.
•
Bluetooth DIP Module - Roving Networks ($39,906)
Esta pequeña placa permite acceder a todos los pines del módulo bluetooth desarrollado
por Roving Networks.
Este módulo es poderoso, pequeño y muy fácil de utilizar. Permite realizar un enlace
inalámbrico reemplazando los cables. El módulo es absolutamente transparente el receptor solo ve
108
caracteres seriales que van y vienen. Es decir, si utilizas un programa como el hyperterminal de
windows para enviar una A en el receptor verás la A saliendo por el pin correspondiente.
Figura 6.16: Bluetooth dip module.
•
Transmisor Bluetooth ($51,765)
El BlueSMiRF es un modem Bluetooth que trabaja en forma serial (Rx/Tx). Cualquier
stream serial desde 9600 a 115200bps puede ser traspasado desde tu computador hacia el
receptor. Esta unidad ha sido testeada en un rango de 106m en campo abierto.
La unidad remota puede ser alimentada desde 3V hasta 6V lo cual permite la utilizacion de
una bateria. Todas las señales en la unidad receptora toleran entre 3V y 6V.
Si desea conectar este dispositivo a un computador requerirá de un conversor de TTL a
RS232.
Esta nueva versión del bluesmirf utiliza el módulo bluetooth de Roving Networks. El set de
comandos AT no es compatible con la versión anterior del módulo.
Figura 6.17: Transmisor bluetooth.
109
CONCLUSIONES.
Definitivamente el tema de “redes inalámbricas” ha tomado gran importancia, ya que estas
tecnologías, debido a su popularidad se han ido estandarizando, han despertado el interés de
muchos en cuanto a cómo poder comunicar diferentes equipos o dispositivos electrónicos sin la
necesidad de utilizar redes cableadas
Estas tecnologías y estándares, especialmente el grupo de las WPAN, facilitan la interconexión
de las computadoras y dispositivos, que no pueden estar en el mismo lugar o bien que se
encuentran separadas a distancia.
Esto no significa que la tecnología inalámbrica en un futuro remplazará a las redes cableadas;
ya que estas últimas alcanzan una mayor velocidad de transmisión que la que ofrece la tecnología
inalámbrica.
Sin embargo, los sistemas inalámbricos brindan mayor comodidad al usuario debido a que no
es necesario usar tantos cables para la instalación de un equipo inalámbrico, así como también te
brindan mayor facilidad de movimiento para las computadoras o sistemas con esta tecnología.
Pero aún así no podemos descartar nada ya que el avance de las tecnologías “es un mundo
desconocido para el hombre”, es decir no sabemos qué nuevas tecnologías estaremos usando el
día de mañana.
Cada vez son más los hogares con varios ordenadores o dispositivos capaces de conectarse
a un ordenador o a Internet. Ello hace que sea fácil acabar llenando la casa de cables, que cruzan
varias paredes para conectar unos aparatos a otros. Desafortunadamente, no todos los usuarios
están dispuestos a meterse en semejante lío de instalación, y muchas viviendas no tienen espacio
suficiente para albergar de forma continua un ordenador. Muchos usuarios optan por un portátil
que, unas veces se enciende en el salón, otras, en el dormitorio, y otras, en la mesa del comedor.
Las redes inalámbricas se han desarrollado muy rápidamente al calor de estas nuevas
necesidades y, hoy, son muchos los dispositivos que pueden conectarse mediante estos sistemas.
Las comunicaciones inalámbricas experimentaron un crecimiento muy importante dentro de la
última década. Estas tecnologías permitieron una altísima transferencia de datos dentro de las
soluciones de sistemas o redes inalámbricas. La ventaja de las comunicaciones inalámbricas es
que con la terminal la persona se puede mover por toda el área de cobertura, lo que no ocurre con
las redes de comunicaciones fijas; esto permitirá el desarrollo de diferentes soluciones PAN y
cambiará el concepto de los espacios personales.
Esta tanta la importancia de las redes de inalámbricas espacialmente las WPAN que la
IEEE, desarrollo un grupo de trabajo exclusivamente que se dedica a la investigación y
estandarización de Ultrawide band, Bluetooth y Zigbee. La IEEE tiene un rol fundamental en la
estandarización y prueba de estas tres tecnologías, ya que además en contribuir a su desarrollo y
estandarización, además busca que estas sean compatibles con otras tecnologías.
A nivel general el mayor aporte de UWB, Bluetooth
interconectar dispositivos en forma inalámbrica.
y zigbee es la comodidad de de
En cuanto a Ultrawide band si bien es una tecnología antigua (usada principalmente para
fines militares), es un estándar que está adquiriendo mucha popularidad, debido a que tiene una
principal ventaja frente a bluetooth y zigbee, esta es el gran ancho de banda para transmitir datos
110
(480 Mbps), además de ofrecer un bajo costo, penetrar en paredes gracias a su contenido en bajas
frecuencias, ciclos de trabajo muy reducidos lo cual deriva en un bajo consumo, inmune a
interferencias, reutilización del espectro lo cual permite tener más dispositivos conectados, baja
inmunidad de potencia irradiada, alta seguridad y poca complejidad.
Bluetooth ha sido uno de los estándares más comercializados en la última década,
debido a que soporta la conexión de diversos dispositivos, en comparación con Ultrawide band
presenta una gran ventaja, ya que puede alcanzar distancia de hasta 100 metros (vs 10 m de
UWB), a pesar que cuenta con múltiples ventajas como la velocidad de transmisión de hasta un 1
Mbps, bajo consumo de baterías, poca interferencia en la recepción, tecnología ampliamente
usada, especialmente en equipos y móviles de reciente producción. Pero también posee su talón
de Aquiles ya que cuando es usado inadecuadamente, podemos recibir mensajes y archivos
indeseados, sufrir bluetooth hacking, ilimitado radio de acción entre los periféricos, luego de esa
distancia no hay garantías de transmisión adecuada de datos, limitación entre la cantidad de
periféricos que podemos usar. Los adaptadores bluetooth solo permiten hasta 7 equipos
“pareados”, gasta mucha energía de la batería, cuando está en el modo visible.
Si bien Zigbee es un estándar de bajo costo, su principal aplicación debe ser
exclusivamente para comunicaciones de datos de corto alcance, alcanza una distancia hasta 75
metros, óptimo para redes de baja tasa de transferencia de datos. Pero hay que considerar que la
tasa de transferencia es muy baja y solo manipula textos pequeños comparados con otras
tecnologías.
Ninguno de estos tres estándares es mejor que otro, pero es fundamental conocer bien sus
características y especificaciones técnicas, comprender las habilidades de los estándares y los
requerimientos de la aplicación son factores importantes al seleccionar una tecnología inalámbrica
para su aplicación. Las razones para seleccionar tecnología inalámbrica incluyen menores costos
de instalación, la flexibilidad de instalación y despliegue y la habilidad de direccionar nuevas
aplicaciones. Antes de seleccionar una tecnología, hay asegurarse que el ancho de banda
disponible con inalámbricos cumple con los requerimientos de su aplicación
Al evaluar las tecnologías inalámbricas se debe considerar tres factores claves: los
requerimientos de ancho de banda, rango y potencia.
Desde el punto de vista personal, realizar este trabajo de investigación en un comienzo a
simple vista parecía muy fácil, pero luego en camino me fui dando cuenta que no era tan fácil como
se veía, cada vez que buscaba información sobre los temas tratados se fue transformando en un
desafío, ya que de partida hay gran cantidad de información en inglés, lo cual dificulta un poco
porque al traducir al español es complicado dar significado a palabras que son muy técnicas.
Lo más importante de esta investigación es que me sirvió para ampliar conocimientos
acerca de las tecnologías inalámbricas existentes y con mayor futuro dentro de las
comunicaciones. Es interesante conocer más de cerca el tipo de aplicaciones reales a las que
próximamente nos vamos a dedicar en nuestra vida laboral.
También me sirvió para recordar y repasar conocimientos adquiridos en las asignaturas de
señales, telecomunicaciones I y II, telecomunicaciones digitales y comunicaciones digitales, entre
otras.
La primera impresión que me causo el tema fue la gran ventaja de ancho de banda que
ofrece Ultrawide band, pero en el desarrollo de la investigación me pude dar cuenta que no solo un
gran ancho de banda es suficiente para elegir un estándar y tecnología, si no que hay que
seleccionarla de acuerdo a las características técnicas que esta ofrece y en estricta relación con la
aplicación a la cual se quiere incorporar.
111
BIBLIOGRAFIA.
[1] An Introduction to Ultra Wideband Communication Systems.
By Jeffrey H. Reed
April 05, 2005
[2] Federal Communications Commission (2002). First Report and Order in the matter of revision of
Part 15 of the Commission’s rules regarding ultrawideband transmission systems. ET-Docket 98–
153, FCC 02–48, released April 22, 2002.
[3] IEEE Standard for Ultrawideband Radar Definitions.
IEEE Aerospace and Electronic Systems Society.
Approved 6 December 2006.
[4] EE Times print publication, December 10, 2007.
[5] Federal Communications Commission (2002). First Report and Order in the matter of revision of
Part 15 of the Commission’s rules regarding ultrawideband transmission systems. ET-Docket 98–
153, FCC 02–48, released April 22, 2002.
[6] Ghavami, M., Michael, L., Kohno, R. (2004). Ultra Wideband Signals and Systems in
Communication Engineering. John Wiley & Sons Ltd.
[7] Intel Corporation. (2005). Ultra-Wideband (UWB Technology): Enabling high-speed wireless
personal area networks. White Paper. Intel Corporation.
[8] Lad, M. (2004). Ultra-Wideband: The Next Generation Personal Area Network Technology.
White Paper, PATNI Computer Systems Ltd.
[9] Liang, J. (2006). Antenna Study and Design for Ultra Wideband Communication Applications.
Tesis de Doctorado. Department of Electronic Engineering Queen Mary, University of London,
United Kingdom.
[10] Mlinarsky, F. & Ziegler, J. (2007). UWB Test Report. OctoScope.
Links:
[1] Ultra-Wideband
www.intel.com/go/uwb
[2] Ultra-Wideband (UWB) Technology: Enabling High-speed Wireless Personal Area Networks
www.intel.com/technology/comms/uwb/download/Ultra-Wideband.pdf
[3] Ultra-Wideband: A Disruptive RF Technology?
www.intel.com/technology/ultrawideband/downloads/Ultra-Wideband_Technology.pdf
[4] 802.15.3a Task group. (2006)
http://www.ieee802.org/15/pub/TG3a.html
[5] XtremeSpectrum. (2004). Ultra-Wideband: Wireless Without Compromise – A Renaissance In
The Making. White Paper: http://www.xtremespectrum.com/PDF/UWBWhitePaper.pdf
112
[6] Pulse~Link. (2008)
http://www.pulselink.net/technology/
[7] Wimedia alliance
www.wimedia.org
[8]C.E. Asociation. (2004). Five Technologies to Watch: Consumer Electronics Association
publication.
http://www.ce.org/publications/books_references/n5Tech_Watch.pdf
[9] Mercedes-Benz. (2005).
http://www2.mercedes-benz.co.uk/
[10] Nekoogar, F. (2005). Ultra-Wideband Communications: Fundamentals and Applications.
Prentice Hall. OPERA
http://www.opera2015.org/documents/pdf/Innovation-report-optical-technologies.pdf
(2008). Innovation Report: Optical Technologies. Optics and Photonics in the European Research
Area (OPERA2015).
[11] Pulse~Link. (2008).
http://www.pulselink.net/technology/
[12] Ramos, P. F. (2007). Sistemas de Radio sobre Fibra.
http://www.radioptica.com/Fibra/radio-fibra.asp
[13] Ran, M. (2008). Photonic components for Ultra-wideband Radio Over Optical Fibre. Holon
Institute of Technology.
http://www.ist-uroof.org
[14] XtremeSpectrum. (2004). Ultra-Wideband: Wireless Without Compromise – A Renaissance In
The Making.
http://www.xtremespectrum.com/PDF/UWBWhitePaper.pdf
[15] ZigBee Alliance Web site
http://www.zigbee.org/en/
[16] El Zumbido de las Abejas, ZIGBEE
http://www.osiriszig.com/content.aspx?co=15&t=21&c=2
[17] Zigbee
http://www.casadomo.com/noticiasDetalle.aspx?c=28&id=2200
[18] ZigBee
http://es.wikipedia.org/wiki/ZigBee
[19] ZigBee (especificación)
http://es.wikipedia.org/wiki/ZigBee_(especificaci%C3%B3n)
[20] Comparing WLAN and ZigBee for embedded applications
http://rfdesign.com/next_generation_wireless/who-needs-zigbee/
[21] Architecture (Arquitectura)
http://www.tutorial-reports.com/wireless/zigbee/zigbee-architecture.php
[22] ZigBee Characteristics (Características Zigbee)
113
http://www.tutorial-reports.com/wireless/zigbee/zigbee-characterstics.php
[23] Network Model (Modelo de Red)
http://www.tutorial-reports.com/wireless/zigbee/zigbee-network-model.php
[24]Traffic Types (Tipos de Tráfico)
http://www.tutorial-reports.com/wireless/zigbee/zigbee-traffic-types.php
[25] ZigbeeCongresoNov2006_UFT (PDF) – Experimento Realizado.
http://hispabyte.net/foro/index.php?action=dlattach;topic=19490.0;attach=578
[26] BlueTooth_Zigbee (PDF)
http://www.acis.org.co/memorias/JornadasTelematica/IIJNT/BlueTooth_Zigbee.pdf
[27] Sitio official Bluetooth.
http://www.bluetooth.com/English/Pages/default.aspx
[28] Bluezona
http://www.bluezona.com/index.php?option=com_content&task=view&id=25&Itemid=50/
[29] Bluetooth.
http://www.explicame.org/content/view/25/1/
[30] System Architectures for High-rate Ultra-wideband Communication Systems: A Review of
Recent Developments
www.intel.com/technology/comms/uwb/download/w241_paper.pdf
[31] A brief history of UWB antennas.
http://www.coe.montana.edu/ee/rwolff/EE548/EE548-S06/UWB/History_UWB_antennas.pdf
[32] IEEE 802.15 Resource Center Contents.
http://www.palowireless.com/i802_15/
[33] Olimex
http://www.olimex.cl
[34] Digikey Electronic components
http://www.digikey.ca/?curr=CAD
114