Índice de contenidos. 02. Índice de figuras. 06. Índice de tablas. 09. Resumen abstract 10. Introducción. 11. Capítulo I: Ultrawide band (UWB).

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2 INDICE. Índice de contenidos. 02 Índice de figuras. 06 Índice de tablas. 09 Resumen abstract 10 Introducción. 11 Capítulo I: Ultrawide band (UWB) Descripción general. 12 Marco teórico Definiciones y conceptos. 15 Qué es UWB? El estándar IEEE Estándares presentes en la tecnología UWB. 16 Estado actual de UWB en la FCC. 16 FCC inicios. 16 Grupo de trabajo Introducción al Características principales. 18 Principales aplicaciones. 18 Características del MAC Capacidades de seguridad. 19 Estructura superframe. 19 Calidad de servicio. (QoS) 19 La capa física. (PHY) 20 El IEEE A 20 Estado actual del IEEE ª 21 Comparación de desempeño en una OFDM vs DS-SS IR 23 Impulsos de radio (IR) vs Multibandas UWB Principio de funcionamiento. 25 Características técnicas Señales UWB. 28 Generación de la señal DS-UWB. 28 2

3 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 Antenas UWB. 42 Máscaras de emisión Opciones de transporte para señales UWB. 44 Xtreme spectrum, Motorola y parthus-cerva (DS-CDMA) 44 Intel y Texas Instruments (OFDM multibanda) 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 Áreas de aplicación Soluciones similares. 52 A pulse link cware technology. 52 UROOF Observaciones UWB Forum Estado actual. 56 Situación internacional. 57 Situación en Chile. 58 Capítulo II: Zigbee. 60 3

4 2.1 Qué es? Estándar IEEE Usos Características Estructura Dispositivos Protocolos Hardware y software Conexión. 68 Topología. 68 LR-WPAN de dispositivos de arquitectura. 69 Tipos de tráficos. 69 Estrategias de conexión. 70 Comunicación y descubrimiento de dispositivos Modulación. 72 Técnicas. 72 Modulación OQPSK. 72 Modulación BPSK Seguridad. 73 Modelo básico de seguridad. 73 Arquitectura de seguridad Futuro Zigbee. 74 Capítulo III: Bluetooth Generalidades Arquitectura bluetooth Topología de conexión de la WPAN bluetooth. 77 Picored. 77 Redes scatternet WPAN bluetooth. 78 Bluetooth Stack. 79 Capa física PHY Arquitectura de radio Especificaciones banda base. 83 4

5 3.6 Interfase de control IEEE comparación bluetooth. 91 Capítulo IV: Comparaciones Canales de radio Mecanismo de coherencia Tamaño de la red Seguridad Tiempo de transmisión Eficiencia en codificación de datos Consumo de energía. 96 Capitulo V: Ventajas y desventajas Ultrawide band Bluetooth Zigbee. 100 Capítulo VI: Aplicaciones comerciales Dispositivos UWB Aplicaciones UWB Empresas en Chile que utilizan UWB Dispositivos Zigbee Dispositivos Bluetooth. 108 Conclusiones. 110 Bibliografía

6 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 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: Figura 1.20: División del espectro MB-OFDM dividido en las tres primeras bandas. Grupo 1 del espectro MB-OFDM dividido en las tres primeras bandas Figura 1.21: Banda 1 del espectro modulada en OFDM. 40 Figura 1.22: Figura 1.23: Espectro MB-OFDM práctico que cumple su máscara espectral de emisión. Máscara de emisión indoor hasta 6 GHz, para tecnologías de: GSM -900, GSM-1800, UMTS-200, UMTS-2600, IS-136, WiFi, Wimax,

7 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 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

8 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 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 GHz UWB. 101 Figura 6.2 Filter bandpass Ghz UWB. 101 Figura 6.3 Filter bandpass 4 Ghz UWB. 102 Figura 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 W Figura 6.8 Asus Eeekeyboard. 104 Figura 6.9 Leio. 105 Figura 6.10 ATx mega 128A 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

9 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

10 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

11 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 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 realiza el estándar basado en las especificaciones de SIG bluetooth. El grupo de trabajo 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 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

12 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 El Dr. Ross fue reconocido por la Academia Nacional de Ingeniería (USA) por su esfuerzo en los estudios sobre UWB y elegido miembro en 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

13 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 (Hewlett- Packard 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 ( MHz), en 2.4GHz ( GHz) definido por el estándar IEEE b y los 5GHz ( GHz y GHz) definido por el estándar IEEE a. La banda de 5 GHz es también conocida por la banda UNII y tiene tres subbandas: UNII1 ( GHz), UNII2 ( GHz) y UNII3 ( 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 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

14 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 a de alta tasa binaria, y el a 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

15 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 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 (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 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

16 1.3 EL ESTÁNDAR IEEE : 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 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 , 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 *EIRP promedio (dbm/mhz.) Modo (GHz.) Intencional No intencional No intencional No intencional <0.96 Dependiente No intencional Tabla1.1: Límite de emisiones de UWB bajo techo. GRUPO DE TRABAJO : 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 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

17 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 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 , 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 a (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 ( a task group, 2006). El mayor logro de la IEEE a 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 : El estándar IEEE 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 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 , , , 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 , 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 a, 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

18 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES. El grupo de trabajo IEEE 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 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 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 , 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

19 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

20 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 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 b, para su coexistencia). La potencia de transmisión de datos es aproximadamente de 8 dbm. Para un rango de aproximadamente de metros. El IEEE trabaja en la misma banda libre que el , pero pueden coexistir en un mismo ambiente dado que los sistemas causan menos interferencia ya que ocupan un ancho de banda menor y transmite con menos potencia. EL IEEE A. 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

21 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 A. El grupo de trabajo IEEE a (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 a 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 a se puedan integrar fácilmente en dispositivos WPAN que ya tengan capas MAC y de red implementadas con tecnología CMOS. Parámetro. Valor Rango de datos (medidos en la PHY) 110,220 y 480 Mbps. Rango 10m, 4m y por debajo. Consumo de energía. 100 mw y 250 mw. Modos de manejo de energía. Ahorro de energía, modo dormido, etc. Picoredes laterales. 4 Susceptibilidad a interferencia Sistemas robustos de la IEEE, PER <8% para un paquete de 1024 Bytes. Capacidades de coexistencia. Interferencia reducida de los sistemas IEEE, potencia de interferencia promedio de por lo menos de 6 dbm por debajo del nivel mínimo de sensitividad. Costo Similar a bluetooth. Actualizaciones. Compatible con versiones anteriores del IEEE , adaptable a varias regiones (E.E.U.U, Europa, Japón). Adquisición de señales. < 20 µs para la adquisición desde el inicio del preámbulo al inicio del encabezado. Antena. 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 Mbps (rangos de datos necesarios para USB inalámbricas), arquitecturas WPAN con costos efectivos, y operará sobre la capa MAC de la IEEE 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

22 Desde que el grupo de trabajo IEEE a 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 GHz en la banda libre) y una banda baja (de 3.1 GHz a un poco antes de los 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 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. Numero de bandas. 3 (primera generación de bandas) 10 bandas opcionales. Ancho de banda. 528 MHz. Rango de frecuencias. Grupo A: GHz Grupo B: GHz Grupo C: GHz Grupo D: ,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 Mbps Mbps Mbps Periodo de simbolo 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

23 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. Numero de bandas. 2 Ancho de banda GHz GHz. Rango de frecuencias GHz Características de modulación. Método de coexistencia. BPSK, QPSK, DSS-SS Banda nula para WPAN (-5GHz) Método de acceso Multiple. CDMA Picoredes simultaneas. 8 Códigos de corrección de error. Convolutional code. REED Solomon code. Tasa de código. 110Mbps 200 Mbps 200 Mbps Margen de enlace Mbps Mbps Mbps Periodo de simbolo. 731ps (banda baja) 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 a 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-bandas- OFDM 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

24 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

25 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

26 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 , 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

27 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

28 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

29 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

30 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 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. Numero de bandas 3 10 opcionales. Ancho de banda 528 MHz. Rango de frecuencia Grupo A: GHz. Grupo B: GHz. Grupo C: GHz. Grupo D: GHz. Tipo de modulación. TFI-OFDM, QPSK. Método de coexistencia Banda nula(~ 5GHz) Método de acceso múltiple. Intercalación tiempo-frecuencia. Picoredes simultaneas. 4 Código de corrección de errores. Convolutional code. Tasa de código. 110 Mbps, 200 Mbps, 480 Mbps Margen de enlace Mbps m@ 200 Mbps Mbps Periodo de simbolo ns OFDM Tabla 1.6: Multibanda basada en OFDM. (Fuente: Texas Instruments) 30

31 Figura 1.8: Espectro de Frecuencias para la Multibanda - OFDM propuesto en el estándar 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. Spectrum allocation. Numero de bandas 2 Ancho de banda GHz GHz. Rango de frecuencia GHz GHz. Tipo de modulación. BPSK, QPSK, DS-SS. Método de coexistencia Banda nula(~ 5GHz) Método de acceso múltiple. CDMA Picoredes simultaneas. 8 Código de corrección de errores. Convolutional code. Tasa de código. 110 Mbps 200 Mbps RS 480 Mbps Margen de enlace Mbps m@ 200 Mbps 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 GHz a 10.6 GHz) 31

32 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

33 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), Bi- Phase 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

34 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

35 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

36 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

37 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

38 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

39 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

40 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

41 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

42 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

43 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

44 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 a, 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 b y a, 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 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 a / g) (Intel corporation, 2005). Las principales ventajas son: Es más fácil reunir la energía multitrayecto utilizando una única cadena de RF. 44

45 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

46 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 b (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 a (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

47 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

48 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

49 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

50 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

51 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. Además UWB hace 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. 51

52 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

53 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 metros como se ilustra en la Figura 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

54 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

55 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 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

56 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

57 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

58 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

59 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

60 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 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 IEEE 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 El grupo de trabajo IEEE 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

61 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

62 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

63 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 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

64 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 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

65 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 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 14 = 393,216 segundos a 40 Kbps; y de 48 ms a 48 ms * 2 14 = 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 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: F C = ( *(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

66 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 , las radios pasan validaciones ISO 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 Banda de Spreading parameters Data parameters (MHz) Frecuencia Chip Modulation Bit rate Symbol rate Symbols rate (Kb/s) (Ksymbol/s) 868/ BPSK Binary BPSK Binary O-QPSK ,5 16-ary Ortogonal. 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

67 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

68 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 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

69 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 Figura 2.5: Arquitectura LR-WPAN dispositivo. Tipos de Trafico de Datos. ZigBee/IEEE 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

70 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

71 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

72 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) 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 GHz, 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

73 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 , 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

74 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 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

75 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 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 Wi- Fi 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

76 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 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

77 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

78 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

79 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

80 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

81 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 ,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 Rango de frecuencias (GHz) Canales de RF. USA, Europa, mayoría de los f = k MHz, k=0 78 países. Francia f = k MHz, k=0 22 Tabla 3.1: Banda de frecuencias y organización de Canales. Características del transmisor: Clase Potencia máxima Potencia máxima Rango (aproximado) permitida. (mw) permitida (dbm) Clase Clase Clase 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

82 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

83 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

84 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. 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). Figura 3.10: código de acceso. 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

85 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

86 TIPO DE PAQUETES. Figura 3.13: tipos de paquetes. Canales Lógicos: 1. Canal de control LC (Link Control) 2. Canal de control LM. (Link Manager) 3. Canal de usuario UA. (Datos síncronos de usuario) 4. Canal de usuario UI. 5. 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

87 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

88 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: Linear 8-bit logarithmic Voice codecs. 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

89 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

90 3.6 INTERFACE DE CONTROL. Describe las especificaciones para la funcionalidad de la interface de control para el IEEE Std 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

91 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

92 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 , , y estándares a/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. UWB Bluetooth Zigbee Especificación IEEE Banda de frecuencia 2.4 Ghz 2.4 Ghz 2.4 Ghz Ghz ( a) Alcance m. Hasta 100 m m. Rango de datos 11,22,33,44 o 55 Mbps 1-2 Mbps 20,40 o 250 Mbps Mbps Técnica de QPSK, DQPSK GFSK BPSK modulación Canales 3 o Potencia de salida 6 mw 100 mw 1 mw 1 mw Interfaz aire DS-UWB FHSS DSSS MB-OFDM Vida de la batería Meses Meses Años Dispositivos en la red Potencia de dbm/mhz 0-10 dbm (-25) -0 dbm transferencia Nominal tx power Mecanismo de Adaptative freq. Hopping Adaptative freq. Hopping Dynamic freq. coherencia Selection. 92

93 Basic cell Piconet Piconet Estrella Extensión basic cell Peer to peer Scatternet Cluster tree, mesh Encriptación AES block cipher Shared secret CBC-MAC (CTR, counter mode) Data protection 32 bit CRC 16 bit CRC 16 bit CRC Max. Data rate 110 0,72 0,25 (Mbits/seg) 10k bytes Bit time (useg) 0,009 1,39 4 Max data payload (bytes) Max overhead /8 31 (bytes) Chipset Xs110 Bluecore 2 CC2430 VDD (volt) Tx (ma) Rx (ma) 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 GHz, con un no aprobado y atascado a 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 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

94 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 n data es el tamaño de los datos, N max P ld es la carga máxima de tamaño, N ovhd es el tamaño del encabezado, T bit es el tiempo de bit, y es T prop 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

95 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 , el rango de acción es de unos 10 metros, mientras que es de m 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

96 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

97 Figura 4.4: Comparison of the normalized energy consumption each protocol. Tabla 4.2: Typical System parameters of the wireless protocols. 97