Comunicaciones de Telefónica

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1 Comunicaciones de Telefónica Telefónica Investigación y Desarrollo Número 31 Junio 2003 Especial la oficina y el hogar digital Editorial Manuel Echánove Pasquín Provisión de servicios para el entorno residencial: El Hogar Digital y el nuevo modelo de negocio Miguel Angel Blanco Bermejo, Marta Palacios González, Enrique Fernando Menduiña Martín, Carlos Mario Acuña Fontela La ICT como habilitadora de nuevos servicios en el hogar Juan Martínez Casáis, Pierre Yves Plaza Tron, Jesús Felipe Lobo Poyo Aplicación del estándar OSGi en la arquitectura del proyecto Hogar.es Miriam Ibáñez Lequerica, Víctor Manuel García Ferrández, José María Montero Cebríán, Cristina Díaz Díaz Nuevos estándares de codificación de vídeo Paulo Villegas Núñez, José Luis Gómez Soto UWB: Una nueva interfaz radio para entornos domóticos y empresariales Jaime Lluch Ladrón de Guevara, Lorenzo Cámara Pérez, José Emilio Vila Aresté Interfaces de voz para el entorno domótico Ana Isabel Obregón Cuesta, David Hernando Carro M2M o cómo aplicar movilidad a la telemática: Actores y posibles escenarios José Luis Martín Peinado, José Antonio Rodríguez Fernández Servicios de entretenimiento en el hogar Adolfo María Rosas Gómez, Enrique Fernández Ferrá, Francisco Rodríguez García, Fernando García Calvo Tus compras a un clic Beatriz Sánchez Castañeda, Enrique Rodríguez Arjona Trabajo colaborativo sin salir de casa José Alfredo Picón Cabezudo Secretaria virtual para la oficina digital David Cantelar Martín, María Jesús García Vicente, Javier Ortuño Pérez El Buzón Virtual en el Hogar Digital María Luisa Fernández Chaichio, Francisco Eduardo Oliveros Díaz, José Juan Sánchez Dasi El automóvil digital: El hogar ampliado con las posibilidades de las comunicaciones móviles Jorge Serna Pozuelo Aplicaciones de teleasistencia domiciliaria. Dos soluciones complementarias Ana Altadill Arregui, Esteban Pérez Castrejón, Enrique Rodríguez Arjona, Beatriz Sánchez Castañeda, Ana María Ruiz Blanco

2 Comité Editorial Isidoro Padilla González (Presidente) Antonio Castillo Holgado Francisco Golderos Sánchez José Jiménez Delgado José Ignacio Soria Arribas Francisco José Jariego Fente Fernando Vivas Gómez Vicente Noguerales Bautista Luis Ranchal Muñoz José Luis García Gómez José Sánchez Sánchez Paloma Granado García-Bernalt Elena Tirado Fernández Salvador Olmedo Botia (Editor) Diseño de gráficos y Maquetación División Servicios de Documentación Diseño y Portada Gerencia de Implantación de Marca de Telefónica, S.A. Imprime LERKO PRINT S.A. Editado por Relaciones Corporativas y Comunicación Telefónica I+D, c/emilio Vargas, nº Madrid. España. Teléfono: (+34) Telefax: (+34) ISSN Depósito Legal M Edición on-line Distribución y petición de ejemplares UVEUVE, C.S.L. Paseo Pintor Rosales, Madrid Teléfono: Fax: es una publicación de Telefónica Investigación y Desarrollo, S.A. Unipersonal Madrid. España 2003 por Telefónica I+D. Reservados todos los derechos. Se autoriza la reproducción total o parcial de los artículos y secciones de la revista, sin permiso del editor, siempre que se cite la procedencia de los mismos, y se envíe una copia al editor. El párrafo anterior no es aplicable a los artículos publicados anteriormente en otras revistas y que sean reproducidos en esta, teniendo que acudir en este caso a la publicación original para obtener los correspondientes derechos de copia.

3 Comunicaciones de Telefónica Telefónica Investigación y Desarrollo Número 31 Junio 2003

4 Editorial Manuel Echánove Pasquín Director General de Estrategia y Desarrollo de Negocio Telefónica de España La oficina y el hogar digital La anunciada revolución en la forma de vida y en la producción que iba a derivarse de la conectividad permanente, amparada por las nuevas infraestructuras de banda ancha, como el ADSL, ya es una realidad. Al día de hoy, como ejemplifican los diferentes artículos incluidos en esta edición, el Cliente Digital (Empresas, Administración, Centros de Educación y Hogares) realiza una parte significativa de su actividad a través de la red, actividad que será creciente a medida que consigamos ajustar la oferta de productos y servicios a las necesidades reales de nuestros clientes: la tecnología existe, sólo hace falta traducirla, hacerla fácil, útil, atractiva y accesible al usuario. Asistimos, en realidad, a un proceso de simbiosis entre lo que el cliente demanda y lo que podemos ofrecerle; los servicios que el cliente precisa exigen tecnologías cada vez más eficientes en el uso de los recursos disponibles, y viceversa, de manera que, a medida que seamos capaces de ofrecer servicios y productos innovadores, estimularemos la demanda y satisfacción del usuario. Avanzar en ese ajuste ha implicado e implicará un cambio constante en el modelo de negocio. Desde esa perspectiva, parece evidente que no podemos ni debemos limitarnos al campo de la telefonía fija, pese al volumen de ingresos que, como mercado maduro, sigue ofreciendo a un operador fijo; tampoco hemos de reducir nuestra acción al desarrollo del PC o a la navegación del usuario en la red. El crecimiento y la innovación en aplicaciones para Banda Ancha, como punto de partida que posibilita el proceso de simbiosis antes definido, está impulsado por las diferentes industrias que desarrollan su actividad en los ámbitos relativos al Cliente Digital, y que, como demuestran los artículos que forman esta edición, son y pueden ser numerosas y variadas. 5

5 Hablamos de industrias relacionadas con el entretenimiento (incorporando nuevos dispositivos de consumo como consolas de videojuegos o descodificadores de TV digital), la gestión del hogar (seguridad, domótica, asistencia domiciliaria), las comunicaciones avanzadas o el Home Networking (introduciendo y consolidando la conectividad sin hilos, WiFi). Las posibilidades son inmensas, siempre que desarrollemos un modelo de negocio que contribuya a la dinamización del mercado, basado en una estrategia de relaciones con terceros, mediante la compartición de ingresos y riesgos, capaz de crear una propuesta de valor atractiva para el cliente final. En este sentido, la Banda Ancha se perfila ya como un nuevo espacio de negocio capaz de atraer la innovación de terceros agentes, que les ofrece además un canal eficiente de comercialización de cara al cliente final. Como consecuencia, surge así una propuesta de servicios, aplicaciones y contenidos en el Hogar Digital, accesibles desde toda una gama de dispositivos más allá del PC, como el televisor, las consolas de juegos, los electrodomésticos, las cámaras de video y toda una nueva generación de equipos de electrónica de consumo que progresivamente podrán conectarse a nuestra red de Banda Ancha. Respecto a la Oficina Digital, el ADSL ha demostrado no sólo ser la opción de conectividad preferida por las Pymes, sino que ha demostrado también su capacidad para ofrecer soluciones de intranet, comercio electrónico, redes privadas virtuales, correo electrónico y otras, que mejoran la competitividad de la empresa, acercándola a las herramientas hasta ahora sólo accesibles para las grandes compañías. Los artículos que componen esta edición son una muestra del inmenso horizonte de posibilidades que se nos ofrece, en el que, afortunadamente, sigue quedando lugar para la imaginación. 6

6 Provisión de servicios para el entorno residencial: El Hogar Digital y el nuevo modelo de negocio Miguel Angel Blanco Bermejo Telefónica de España Marta Palacios González ARCITEL Enrique Menduiña Martín, Carlos Mario Acuña Fontela Telefónica Investigación y Desarrollo El Hogar Digital es la plasmación del uso de las facilidades telemáticas y de la comunicación en las viviendas. El hogar se convierte en un centro de comunicaciones que permite estar conectado con el exterior en todo momento, a la vez que los múltiples dispositivos presentes en la casa interactúan entre sí y con otros dispositivos que pueden encontrarse en la oficina, en el coche, en la calle o en cualquier lugar del mundo. Aparecen así nuevas aplicaciones, nuevos servicios y nuevas oportunidades de negocio. Para la explotación de dichos negocios emergentes del Hogar Digital es necesario incorporar nuevos actores a la cadena de valor: promotoras inmobiliarias, instaladores, suministradores de servicio etc. Dada la complejidad añadida que ello supone, se perfila como necesaria la existencia de una figura que coordine a las distintas entidades; de manera que dicha figura sea el contacto de primer nivel para el usuario, del que recibirá las peticiones de asistencia, así como las peticiones relativas a las ampliaciones, el mantenimiento, la facturación, el servicio postventa etc. Este rol se denominará Gestor del Hogar Digital. INTRODUCCIÓN Las nuevas tecnologías de banda ancha permiten extender los servicios de comunicaciones avanzadas a más ciudadanos, a un coste cada vez más bajo. Inicialmente su uso servirá para proporcionar una mayor información, de mejor calidad, a través de la conexión a Internet. La conexión a Internet facilita el acceso rápido a un conjunto de nuevos servicios: comercio electrónico, juegos en red, descarga de música y vídeo, acceso a bibliotecas y a formación on-line, etc. Además, la conectividad posibilita dotar de mayor inteligencia a los elementos que ya existen en el hogar. Es la comunicación maquina a maquina la que logrará que los distintos elementos puedan comunicarse entre sí, formando un sistema que es más inteligente que la suma de las partes que lo constituyen. El Hogar Digital es el resultado de la integración de las tecnologías de comunicaciones y de los servicios del entorno doméstico. Su unión va a permitir que las viviendas dispongan de nuevos servicios que antes no eran posibles, como es el caso de la domótica y la seguridad. Para llevar a cabo el concepto de Hogar Digital son necesarios tres elementos (ver la Figura 1): 1. Una línea de comunicaciones de banda ancha. Hoy por hoy, la tecnología ADSL se perfila como la más adecuada para este entorno residencial por dos razones fundamentales: Por un lado, las líneas ADSL son capaces de proporcionar un gran ancho de banda en el hogar a un precio muy razonable, siendo esta característica imprescindible para servicios como vídeo bajo demanda o música a la carta. 7

7 Banda ancha Instalación plug&play Figura 1. Elementos del Hogar Digital Lavadora Lámparas Riego Persianas Microondas Pasarela Televisores Cámaras de Video Impresoras Teléfonos Ordenadores Por otro, permiten que la vivienda esté siempre conectada con el exterior (always on), característica ésta que es relevante para servicios de teleasistencia o televigilancia. 2. Una red (o conjunto de redes) interior del hogar, que permite: La conexión a Internet desde todas las dependencias de la vivienda simultáneamente, y la posibilidad de que se puede hablar por teléfono al mismo tiempo. Compartir recursos informáticos: ficheros, programas, impresoras, escáneres, etc. La distribución de contenidos de audio y vídeo por todo el hogar. Gobernar sistemas domóticos de la vivienda desde cualquier ordenador. 3. Una pasarela residencial, que es el elemento que integra las distintas redes domésticas y las interconecta con las redes públicas de banda ancha mediante la línea ADSL. Este dispositivo debe garantizar la seguridad de las comunicaciones hacia y desde el hogar, y deberá ser gestionado de forma remota. LA PASARELA RESIDENCIAL Red domótica Red de Entretenimiento Red de datos Los nuevos servicios requieren que se realice la transferencia de datos multimedia en tiempo real, con una calidad de servicio dada y sobre diferentes tipos de medios físicos (cobre con xdsl, acceso inalámbrico, fibra coaxial, etc.). Para ello es necesario disponer de un nexo de unión entre las distintas redes de acceso y el entorno de las redes internas. Dicho elemento, que realiza funciones de puente de manera transparente entre los dos mundos, se denomina pasarela residencial (Residential Gateway). Esta pasarela es una interfaz de terminación de red flexible, normalizada e inteligente, que recibe señales de las distintas redes de acceso y las transfiere a las redes internas, y viceversa. La pasarela residencial es, normalmente, un ordenador con arquitectura de PC, aunque puede que el teclado y la pantalla no sean convencionales. En su interior se ejecutan los programas que atienden a los distintos dispositivos y es donde se ordena la realización de las acciones previamente programadas. El sistema operativo que contiene la pasarela, es decir el programa principal que coordina todos los demás, debe ser muy fiable y no puede permitirse fallos, además debe facilitar la incorporación sencilla de nuevos equipos y servicios. En este momento existen numerosas iniciativas encaminadas a definir y comercializar sistemas estándar, siendo una de ellas, posiblemente la que tiene mejores posibilidades de éxito, la que se denomina OSGi, Open Service Gateway Initiative. Esta iniciativa consiste en un conjunto de programas que pueden comunicarse entre sí empleando unos protocolos definidos y abiertos, de tal forma que los fabricantes de nuevos equipos, electrodomésticos y sensores puedan incorporar fácilmente sus sistemas a la pasarela residencial. Existen también soluciones, promovidas por los fabricantes, que tratan de abordar aspectos más parciales, tanto de los elementos domóticos como de los ordenadores o de los periféricos. Otras proceden del mundo de la electrónica de consumo. LAS REDES Las redes son las encargadas de transmitir la información desde los sensores a la pasarela residencial y desde ésta a los equipos, electrodomésticos y actuadores. Una clasificación clásica distingue las siguientes redes: Red de datos. Es la red especializada en conectar los distintos ordenadores entre sí y con sus periféricos. Normalmente requiere un ancho de banda medio- 8

8 TECNOLOGÍA Ethernet convencional HomePNA IEEE (wireless) HomeRF (wireless) Bluetooth (wireless) Línea eléctrica ALCANCE Hasta 100m Hasta 125 m entre aparatos. Hasta 45 m. Hasta 50 m. Hasta 10 m. Hasta 800 m aproximadamente. NÚMERO DE APARATOS EN RED Hasta 25. Hasta 127. Hasta 8 dispositivos activos a la vez. Hasta 256. APLICACIONES Compartición de recursos. Comunicaciones. Control en el hogar. Entretenimiento. Compartición de recursos. Comunicaciones. Control en el hogar. Entretenimiento. Compartición de recursos. Comunicaciones. Control en el hogar. Entretenimiento. Compartición de recursos. Comunicaciones. Control en el hogar. Entretenimiento. Comunicaciones. Entretenimiento. Compartición de recursos. Comunicaciones. Control en el hogar. Entretenimiento. FLEXIBILIDAD La expansión requiere cableado adicional y dispositivos de red. Se requieren adaptadores para conectar algunos aparatos. Se requieren adaptadores para conectar algunos aparatos y, en algunos casos de problemas de alcance, puntos de accseo. Se necesitan adaptadores para conectar algunos dispositivos. Nuevos productos con chips Bluetooth. Son necesarios adaptadores para algunos aparatos. FIABILIDAD Alta. Alta. Alta/moderada. Alta/moderada. Alta/moderada. Moderada. COSTE Alto. Bajo. Varía. Moderado. Moderado. Bajo. SEGURIDAD/ PRIVACIDAD Seguro. Seguro. Seguro. Seguro. Seguro. Seguro. Tabla 1. Características de las diferentes tecnologías de red más utilizadas Normalmente requiere un ancho de banda medioalto. Red multimedia. Es la que conecta los equipos multimedia del hogar con la pasarela residencial. Requiere un ancho de banda muy elevado, del orden de varios Mbit/s. Red domótica o de control. Se utiliza para conectar los electrodomésticos con los equipos sensores y actuadores del hogar. Este tipo de red normalmente tiene un bajo ancho de banda. Sea cual sea la red que se desea utilizar, su instalación es uno de los aspectos más comprometidos, ya que los clientes no desean que el hogar esté lleno de cables que interconecten todos los sistemas, afeando la estética de su vivienda. Por eso, dependiendo del tipo de hogar y las prestaciones que se necesiten, hay que optar por unas u otras tecnologías de red. Según el medio que emplean los sistemas para la comunicación se puede realizar la siguiente clasificación (ver la Tabla 1): Sistemas que utilizan el cable telefónico. Son los más económicos, pudiéndose utilizar para este caso cables Ethernet convencionales o emplear protocolos más específicos como es Home PNA. Sistemas que funcionan por radio. Son los más cómodos y fáciles de instalar, pero también son los más caros y con mayores problemas debido a las interferencias y a su alcance. En este momento el estándar más utilizado es el denominado IEEE , que se conoce comercialmente con el nombre de WiFi 1. Hay otras alternativas como Bluetooth pero con menor éxito comercial. Sistemas que emplean el cable eléctrico. La utilización del cable eléctrico ofrece posibilidades muy interesantes dada su amplia presencia en todas las estancias de una vivienda, pero en este momento su empleo está limitado por la escasa capacidad de transmisión de información que puede proporcionar dicho cable con los terminales de línea actuales. El estándar más conocido es el denominado X.10. SERVICIOS DEL HOGAR DIGITAL Tal y como muestra la Figura 2, el Hogar Digital es el resultado de la integración de las tres áreas o tipos de servicios siguientes: 1. Comunicaciones Esta constituida por los servicios relacionados con las comunicaciones. Son los servicios más clásicos proporcionados por un operador de telecomunicaciones, sin embargo en los últimos años han evolucionado hacia nuevas formas de prestación y han 1 Este nombre es en realidad la certificación proporcionada por la asociación WECA para los productos IEEE que han sido aprobados por ella. 9

9 2. El entretenimiento Comunicaciones Acceso a Internet permanente y de banda ancha, videoconferencia a través de PC, TV, videoteléfono, mensajería unificada, etc. Esta constituido por servicios como: TV y vídeo bajo demanda Gestión digital del hogar Seguridad, alarmas, telemando y telecontrol, comunicaciones intracomunidad, etc. Entretenimiento Juegos, música, video bajo demanda, TV personal, T-commerce, Internet, chats y comunidades, etc. Permite la recepción de canales generalistas o temáticos. Puede incluir el acceso al videoclub y la selección de películas de una videoteca virtual, que puede ser vista tantas veces como se desee. Minicadena ADSL Radio Internet Home networking Red de acceso, infraestructura del hogar, cableado, pasarela del hogar, dispositivos ( PCs, consolas,etc. ), software... Figura 2. El Hogar Digital como unión de los elementos comunicación, entretenimiento y gestión digital del hogar sido enriquecidas por nuevos dispositivos, terminales y procedimientos. Así, se pueden mencionar: La videoconferencia El servicio de videoconferencia permite mantener una conversación con una o varias personas, a la vez que se reciben imágenes de las mismas. En su versión más simple incluye la comunicación bidireccional tanto de voz como de imágenes entre dos interlocutores; mientras que en una prestación más sofisticada permitiría involucrar a más de dos personas, con transferencia de voz e imagen entre los participantes. La mensajería unificada La mensajería no es un servicio propiamente de hogar, sino que procede de otros ámbitos como es el caso de la empresa, pero también puede ser utilizado de la misma manera en un entorno doméstico. Permite a los usuarios de móviles, PDAs, PCs, etc., consolidar y simplificar sus comunicaciones. Las plataformas actuales de mensajería facilitan el envío de todo tipo de mensajes independientemente de su naturaleza (voz, texto etc.), así como su tratamiento (reproducción, borrado, almacenamiento etc.). Normalmente, se ofrece una interfaz universal, con frecuencia tipo web, para el acceso, recuperación y gestión de los mensajes. La minicadena ADSL, además de las características habituales de los equipos de música, ofrece la posibilidad de escuchar los canales de radio en Internet (con tecnología "streaming") como si se tratara de emisoras de radio tradicionales. TV digital por satélite Es una multiplataforma que combina las emisiones televisivas con los servicios interactivos, como, por ejemplo, ver los programas favoritos, enviar correos electrónicos, realizar compras o juegos, realizar consultas del estado del tiempo, de las carreteras, de los aeropuertos, de las cuentas bancarias, de la evolución de los eventos deportivos, etc. Alquiler de juegos Los usuarios acceden desde un PC a la plataforma de juegos donde alquilan los mismos. Juegos en red Son los servicios que permiten a los usuarios de videoconsolas y de PCs poder conectarse con otros usuarios a través de ADSL para jugar partidas comunes. 3. La gestión digital del hogar Comprende aquellos servicios que permiten gestionar el funcionamiento de todos los dispositivos de la vivienda o de la comunidad de vecinos, y controlar su estado, tanto de forma local como remotamente, a través de Internet o desde cualquier teléfono fijo o móvil. La Figura 3 muestra un ejemplo de pagina web para el acceso a los servicios domóticos de una vivienda. En ella pueden observarse los iconos 10

10 que puede ser vista tantas veces como se desee. Minicadena ADSL Radio Internet La minicadena ADSL, además de las características habituales de los equipos de música, ofrece la posibilidad de escuchar los canales de radio en Internet (con tecnología "streaming") como si se tratara de emisoras de radio tradicionales. TV digital por satélite Es una multiplataforma que combina las emisiones televisivas con los servicios interactivos, como, por ejemplo, ver los programas favoritos, enviar correos electrónicos, realizar compras o juegos, realizar consultas del estado del tiempo, de las carreteras, de los aeropuertos, de las cuentas bancarias, de la evolución de los eventos deportivos, etc. Alquiler de juegos Los usuarios acceden desde un PC a la plataforma de juegos donde alquilan los mismos. Juegos en red Son los servicios que permiten a los usuarios de videoconsolas y de PCs poder conectarse con otros usuarios a través de ADSL para jugar partidas comunes. 3. La gestión digital del hogar Comprende aquellos servicios que permiten gestionar el funcionamiento de todos los dispositivos de la vivienda o de la comunidad de vecinos, y controlar su estado, tanto de forma local como remotamente, a través de Internet o desde cualquier teléfono fijo o móvil. La Figura 3 muestra un ejemplo de pagina web para el acceso a los servicios domóticos de una vivienda. En ella pueden observarse los iconos correspondientes a los distintos servicios domóticos que han sido instalados en este caso. Los servicios que forman la gestión del hogar digital pueden ser: Automatización-Control de accesos. Incluiría un conjunto de servicios que comprenden el control de la vivienda (iluminación, automatización de las persianas y toldos, control de los accesos, etc.). Control de alarmas técnicas, donde se incluyen servicios como: Detección de fugas de gas, agua, fuego y humo. Avisos y llamadas automáticas (teléfono, e- mail, SMS, etc.). Realización de acciones preventivas automáticas (cierre de la llave principal del agua, apertura de persianas, etc.). Control de la climatización, como puede ser: El control de la caldera o del aire acondicionado de la vivienda desde cualquier PC, teléfono móvil o PDA. El control de riego y de las calderas comunitarias. Control de electrodomésticos-ahorro de energía. Tal es el caso del encendido y apagado remoto de los electrodomésticos. Los electrodomésticos conectados a la red del Hogar Digital permiten aprovechar las ventajas de la tarifa nocturna, retrasando la puesta en marcha de los electrodomésticos al momento más oportuno. Lectura remota de contadores. Se puede realizar la lectura de forma remota y automática de los contadores de agua, gas, electricidad, etc., en el hogar y/o en la comunidad. Seguridad, mediante los servicios de: Videovigilancia no profesional. En este caso es el propio usuario quien realiza la "vigilancia", no contratándose los servicios de una empresa de seguridad. Teleseguridad. Es el servicio de una empresa de seguridad integrado con las alarmas, detectores de movimiento, etc., aunque sin visualización de imágenes. Cualquier incidencia relativa a la seguridad del hogar, como la vigilancia de la vivienda, fugas de agua o gas o incendios, se comunica automáticamente mediante 11

11 avisos de alarma a un centro proveedor de servicios. Teleasistencia, que se puede dividir en: Teleasistencia básica. La constituyen los servicios de asistencia telefónica, con alarmas, botón de pánico y control de acceso en caso de emergencia. Teleasistencia avanzada. Un estadio más avanzado en la prestación del servicio de teleasistencia incluiría, además de lo expuesto para el caso de la teleasistencia básica, alguna otra característica más sofisticada. Así, se puede pensar en la presencia de cámaras dentro de la vivienda, que permitiría informar visualmente del estado de la persona en caso de alarma. También es posible la actuación remota sobre dispositivos, por ejemplo, realizar la apertura desde el Centro de Supervisión de la puerta de entrada para facilitar el acceso a los equipos de emergencia (ambulancias, bomberos, policía etc.). Igualmente, sería factible la adición de otras utilidades como la medición de parámetros médicos y su monitorización por personal especializado. AGENTES INVOLUCRADOS EN EL MERCADO DEL HOGAR DIGITAL Al contrario que ocurría con los servicios convencionales de voz o vídeo, las diferentes tareas que conllevan la provisión de los servicios del Hogar Digital (configuración de dispositivos internos, configuración de servicios, gestión de la seguridad en el acceso, telecarga de aplicaciones, etc.), hacen que sea necesario el concurso de distintos agentes ajenos al suministrador de telecomunicaciones. Por tanto, está claro que quien mejor puede ofrecer servicios de seguridad es una compañía especializada, tal es el caso de los servicios de telemedicina que ofrece un hospital o una institución sanitaria. En consecuencia, el mercado del Hogar Digital ha abierto nuevas expectativas para numerosas empresas, que buscan posicionarse en él e involucrarse en alguna de las fases de la cadena de valor para la prestación de este tipo de servicios. La Figura 4, proporciona una visión simplificada de la cadena de valor. Según la figura, los diferentes agentes que intervienen en la cadena de valor de las redes en el hogar son los siguientes: Promotores inmobiliarios Es un sector clave en el desarrollo del negocio, pues los promotores son el punto de entrada para la instalación de las infraestructuras adecuadas en las viviendas. Algunas empresas inmobiliarias están empezando a incorporar aplicaciones digitales en sus viviendas como distintivo de calidad y para ofrecer servicios atractivos al usuario a la hora de elegir su vivienda. Instaladores Se trata de las empresas que realizan las instalaciones. En las viviendas de nueva construcción las instalaciones están normalmente dirigidas por los promotores, y en las viviendas antiguas serán los propietarios o los proveedores de servicios los que determinen las características de las instalaciones. Fabricantes de equipos Destacan los fabricantes de electrodomésticos (lavadoras, frigoríficos, calderas o microondas) y de electrónica de consumo (música, televisores, etc.), que tratan de introducir nuevas prestaciones en sus equipos de gama alta para así diferenciar su oferta y obtener mayores márgenes. Es un sector con mucha competencia y con mucha necesidad de innovación. La competencia está impulsando una conversión del negocio actual de productos (ingresos por venta de equipos y repuestos) en la venta de servicios relativos a: Electrodomésticos: servicio posventa de mantenimiento y reparación remoto, cobro por uso, Promotores de estudios de arquitectura. Gestores de edificios. Instaladores de infraestructuras Fabricantes de equipos Proveedores de servicios de telecomunicaciones Proveedor de servicios Figura 4. Elementos de la cadena de valor de las redes en el Hogar Digital 12

12 venta de recetas para hornos o de programas de lavado, etc. Electrónica de consumo: descarga de música o de películas, participación en plataformas de videojuegos, etc. Proveedores de telecomunicaciones Para los operadores de telecomunicaciones, los servicios residenciales son una evolución de su actual oferta de servicios de comunicación y entretenimiento. Proveedores de servicio Proveedores de servicio Dispositivo / Red 1 Dispositivo / Red 2 Estos agentes han realizado fuertes inversiones en el despliegue de infraestructuras de banda ancha, y por ello buscan ahora una oferta de servicios que use este tipo de tecnología. Los servicios residenciales de valor añadido son el medio para incrementar la venta de accesos de banda ancha y fidelizar, además, a sus clientes. Proveedores de servicios finales Esta figura se refiere a los nuevos actores que se están posicionando en el mercado emergente de hogar digital como proveedores de servicios a los usuarios finales que estén relacionados con la seguridad, la domótica, los contenidos multimedia (audio, vídeo, juegos), los contenidos educativos etc. Normalmente deberán asociarse con los proveedores de conectividad en plataformas multiservicio, con objeto de mejorar la prestación de estos servicios. Proveedores de servicio como el mostrado en la Figura 6. Dispositivo / Red 3 Figura 5. Modelo de servicios del Hogar Digital descentralizado Por ello es fundamental la presencia de un gestor que centralice e integre muchas de estas tareas, y que funcione como ventanilla única para el cliente final: es la figura del Gestor del Hogar Digital. El Gestor de Hogar Digital aparece ante la necesidad de coordinar a los actores en la complejidad del escenario para la provisión de los servicios, en especial cuando se multiplican proveedores y usuarios. El gestor es el elemento coordinador entre los actores anteriormente mencionados, y debe ser el contacto de primer nivel para el usuario, del que recibirá las peticiones de asistencia, ampliaciones, etc. EL GESTOR DEL HOGAR DIGITAL La comercialización de los servicios de Hogar Digital es bastante compleja debido a la cantidad de agentes que se ven involucrados en la cadena de distribución y a los numerosos modelos de negocio que se pueden adoptar para su venta, instalación y posterior atención al cliente. Aunque, en principio, puede existir un enfoque descentralizado (ver la Figura 5), donde cada proveedor de servicio está relacionado con un dispositivo o conjunto de dispositivos de forma directa, esta forma de abordar el problema sólo puede ser útil en las etapas iniciales del negocio. Proveedores de servicio A Proveedores de servicio B Proveedores de servicio C Gestor SHD Dispositivo / Red 1 Dispositivo / Red 2 Dispositivo / Red 3 A corto plazo, la propia complejidad del esquema va a hacer necesario el establecimiento de un esquema Figura 6. Modelo de servicios del Hogar Digital centralizado 13

13 La relación con el cliente se realiza a través de una pagina web central en la que se resumen todos los servicios a los que está abonado el cliente. La Figura 7 muestra un ejemplo de un portal de cliente unificado para varios servicios. Más concretamente, las líneas de actividad que debe realizar el Gestor son: La atención al cliente, donde se incluirá: El contacto único de primer nivel con los clientes. La evaluación de la naturaleza del problema, así como la derivación de la llamada cuando no se pueda solucionar dicho problema. La integración de los terceros proveedores en los call centers. La gestión de la instalación. El seguimiento de las incidencias hasta su resolución. La comercialización, donde estará incluido el portal on-line del Gestor, así como otras vías de contratación relativas a: Los proveedores de servicios. Los nuevos canales (grandes almacenes, bancos, etc.). La coordinación del alta del servicio, relativa a: La recepción del pedido de alta en el servicio. El pedido de los productos según disponibilidad de los inventarios y los trabajos previos a la visita del instalador al hogar. La coordinación de las visitas al hogar del cliente. La instalación y pruebas de los servicios, como pueden ser: El acondicionamiento del hogar. La instalación de equipos (videocámaras, pasarela del hogar, sensores, etc.). La integración y prueba de los servicios. La formación al cliente. La facturación (única o separada). Figura 7. Ejemplo de portal de cliente proporcionado por un gestor de servicio 14

14 La resolución de incidencias en el hogar, como puede ser la resolución de problemas físicos en el hogar a raíz de una llamada al call center. El mantenimiento, tal es el caso del mantenimiento periódico de los equipos; actividad que será subcontratada en la mayoría de los casos a empresas especializadas. Además, el Gestor del Hogar Digital debe mantener contactos con las empresas encargadas de proporcionar los servicios finales. Estas empresas pueden ser: Proveedores de servicios de seguridad En el mercado de los servicios de seguridad existen numerosas empresas de ámbito local y regional, algunas con presencia nacional, que están desarrollando servicios de mayor valor añadido, como la domótica, en donde existe una importante sinergia con su negocio actual, ya que disponen de una base de clientes a los que pueden resultar muy atractivos los servicios de domótica. Además, existen también sinergias operativas, pues estos servicios cuentan con centros de recogida de alarmas de seguridad y de alarmas técnicas, con instaladores y con el aprovechamiento de la central de alarmas instalada en el domicilio del cliente para introducir la gestión de los nuevos servicios. Hospitales, centros de enseñanza y universidades Estas entidades están especializadas en la provisión de servicios de telemedicina, teleasistencia, enseñanza a distancia y servicios on-line. Su oferta, diferenciada y atractiva, puede ser un motor fundamental en el despegue comercial. Distribuidores comerciales Se trata de distribuidores comerciales que poseen contacto directo con el cliente final, los cuales cuentan con la posibilidad de empaquetar los productos con otros servicios y con numerosas ventajas a la hora de comercializar cualquier tipo de servicio, como: Capacidad de empaquetar los servicios de Hogar Digital con otros productos. Nivel de conocimiento tecnológico. Imagen de marca que inspira seguridad y calidad. Posibilidad de ofrecer contacto directo con los productos. Servicio posventa. CONCLUSIONES El Hogar Digital surge como resultado de la integración de las tecnologías de comunicaciones y su llegada al hogar. Su uso abre la posibilidad de ofrecer un conjunto de nuevos servicios, relacionados con las comunicaciones, el entretenimiento y la gestión digital del hogar. Esta lista es mucho más amplia, aunque en este artículo sólo se sugieren algunos de los servicios que pueden ser útiles en una primera etapa. Para hacer posible el despliegue de los nuevos servicios es necesario, en primer lugar, disponer de los elementos tecnológicos: la pasarela residencial y las redes del hogar. La pasarela es el elemento que aporta la inteligencia y las redes son las encargadas de conectar todos los sensores, actuadores, terminales y otros dispositivos del sistema. Pero el aspecto más interesante, desde el punto de vista de negocio, es el relativo a que la incorporación y despliegue de estos servicios va a requerir el concurso de nuevos agentes, además de un proveedor de conectividad. Los promotores inmobiliarios, instaladores, fabricantes y proveedores de contenidos juegan un papel básico para el éxito de los nuevos negocios. Aunque es posible que cada uno de ellos pueda ofrecer los servicios de forma independiente, en este artículo se pone de manifiesto la necesidad de la figura del Gestor de Servicios como el actor que ofrece el empaquetado de los mismos y coordina las funciones llevadas a cabo por el resto de entidades involucradas. Cobertura geográfica. 15

15 Bibliografía 1. Telefónica I+D: Las Telecomunicaciones de Nueva Generación. Ed.Telefónica. Dirección General de Relaciones Institucionales. Mayo Dave Marples: OSGi: The Open Services Gateway Initiative. An Introductory Overview. IEEE Communications Magazine. December Gerard O Driscoll: The Essential Guide to Home Networking Technologies.Prentice Hall. 4. Manuel Castel: La sociedad red (La era de la información, T.I.).Alianza Editorial

16 La ICT como habilitadora de nuevos servicios en el hogar Juan Martínez Casáis, Pierre Yves Plaza Tron, Jesús Felipe Lobo Poyo Telefónica Investigación y Desarrollo ICT (Infraestructura Común de Telecomunicaciones) es el nombre genérico que reciben todos los elementos comunes a un edificio o urbanización relacionados con el acceso a los servicios de telecomunicaciones. Por tanto, para la provisión de los servicios digitales de la Vivienda Inteligente, la ICT es un elemento esencial, ya que de su existencia y características va a depender, en gran medida, la posibilidad y el coste del despliegue de los nuevos servicios. La ley de ICT fija las características de estas infraestructuras, sin embargo se trata de una ley de mínimos, por lo que para la provisión de los servicios domóticos, especialmente los relativos a viviendas de nueva construcción, es muy deseable mejorar y ampliar alguna de sus características. INTRODUCCIÓN Durante los últimos años han aparecido nuevos servicios de telecomunicaciones dentro de la telefonía básica y la televisión terrenal. Además se han añadido otros servicios como la televisión por cable, por satélite (tanto analógica como digital), Internet o la televisión digital terrestre, que son objeto de una demanda creciente. Sin embargo, la implantación de estos servicios carecía, en una etapa inicial, de una reglamentación técnica en la construcción de las viviendas que obligara a las mismas a disponer de una dotación de infraestructura apropiada para el despliegue de dichos servicios. Al no existir esta reglamentación comenzaron a aparecer tendidos de cables aéreos por las fachadas de los edificios, produciéndose también un crecimiento en la instalación de antenas parabólicas individuales, con el consiguiente deterioro ambiental. Una solución parcial para España, la estableció el Gobierno con la promulgación de la Ley 49/1966 de antenas colectivas. Aunque esta ley supone un paso adelante, no cubre las necesidades actuales de los nuevos servicios de telecomunicaciones. Por otra parte, la liberación en el año 1998 de estos servicios en España, introdujo la necesidad de permitir el acceso de distintos operadores para proporcionar nuevos servicios y garantizar igualdad de condiciones a la hora de competir en la prestación de servicios entre operadores. Como resultado de estudios realizados por las organizaciones competentes en materia de telecomunicaciones, infraestructuras y medio ambiente, la Administración Española dictó el Real Decreto-Ley 1/1998 de 27 de febrero sobre Infraestructuras Comunes en los Edificios para el Acceso a los Servicios de Telecomunicación 1 (ICT). La ICT establece un marco de soluciones a las necesidades de los distintos agentes implicados, proporcio- 1 El Consejo de Ministros celebrado el pasado 4 de abril de 2003 aprobó el Real Decreto que establece el nuevo reglamento de ICT y que sustituye al R.D. 279/1999, de 22 de febrero. Este nuevo reglamento entrará en vigor una vez se publique en el BOE. Más información en htm 17

17 nándoles una serie de ventajas: A los usuarios les garantiza su derecho a la libre información (Artículo 20.1.d de la Constitución), ya que cuentan con unas infraestructuras adecuadas para ello que les permite la elección de operador de forma fácil y económica, por ser la ICT propiedad de las comunidades de vecinos. Así mismo, tienen garantizado un nivel de señal de calidad por contar con una certificación de la instalación realizada por un técnico titulado en telecomunicaciones. Los ayuntamientos minimizan el impacto estético de las instalaciones de telecomunicaciones, permitiéndoles un control en la concesión de licencias de obra o en las cédulas de habitabilidad. La Administración facilita el ejercicio de la libre elección de operador por el usuario, fomentando un mercado más competitivo a la hora de prestar servicios de mejor calidad y menor coste. También garantiza derechos constitucionales, como son el acceso libre a la información así como el secreto de las comunicaciones. A los operadores les garantiza la libre competencia e igualdad en el acceso al usuario. Asimismo, les permite una mejor gestión de sus redes y cuentan con infraestructuras de cliente de un alto nivel de calidad para ofrecer sus servicios. ELEMENTOS MÍNIMOS DE UNA ICT De acuerdo con la actual normativa, los elementos mínimos que deben tener una ICT son los siguientes (ver la Figura 1): Para televisión y radiodifusión (RTV) se dispondrá de: Antenas colectivas para la captación de las señales de radio y televisión terrenales, así como de la previsión de espacio para la ubicación de las antenas de TV digital por satélite. Equipamiento de cabecera, compuesto por amplificadores y mezcladores de las señales terrenales y de satélite. Red de distribución de la señal, formada por: Cable coaxial, derivadores y distribuidores de planta. Punto de acceso al usuario. Red interna del edificio hasta las bases de toma, disponiendo de una para cada dos estancias, con un mínimo de dos. El ancho de banda será de 47 a MHz. Canalización de enlace superior RITS Infraestructura necesaria Arqueta a la entrada, situada an la acera, frente al edificio. Canalización pasamuros hasta el registro de enlace. Canalización de interior Canalización principal Canalización de enlace hasta el Registro de Instalaciones de Telecomunicaciones Inferior (RITI). VIVIENDAS Arqueta de entrada PAU Registro de paso Registro Secundario Canalización secundaria RITI Registro RITI de suficiente espacio y bien iluminado para ubicar los equipos. Canalización de tubo rígido desde el RITI hasta el RITS, con ramificaciones en cada una de las plantas. Un RITS situado en la parte superior del edificio, dotado de espacio suficiente para incorporar los equipos necesarios de amplificación y procesado de señales de radiofrecuencia. Canalización exterior Canalización de enlace inferior Sótano Registros de enlace Figura 1. Esquema de una ICT 18

18 Esta red es doble, lo que permite la distribución de dos plataformas digitales (norma mínima). Para telefonía (TB+RDSI) se dispondrá de: Un registro principal equipado con regletas. En este registro, el operador tiene reservado un espacio para poder equipar su red de alimentación y sus regletas de interconexión. Una red de cable que discurre por todo el edificio, hasta el punto de acceso al usuario, en número de una toma cada dos estancias, con un mínimo de dos. Para telecomunicaciones por cable (TLCA) se dispondrá de: Un espacio en el Recinto Inferior de Telecomunicaciones (RITI) señalizado, para que cada operador de cable pueda montar sus registros principales. Un registro a la entrada de la vivienda, donde se podrá llegar con el cable correspondiente, y de donde parten los conductos hacia los registros especiales para las bases de toma. Habrá una toma cada dos estancias, con un mínimo de dos. Para la infraestructura del edificio se dispondrá de: Una arqueta de entrada situada en la acera, frente al edificio. Una canalización pasamuros hasta el registro de enlace y una canalización de enlace hasta el Recinto de Instalación de Telecomunicaciones Inferior (RITI). Un registro RITI de suficiente espacio y bien iluminado para ubicar los equipos. Un Recinto de Instalación de Telecomunicaciones Superior (RITS) situado en la parte superior del edificio, dotado de espacio suficiente para incorporar los equipos necesarios de amplificación y procesado de señales de radiofrecuencia Una canalización de tubo rígido desde el RITI hasta el RITS, con ramificaciones en cada una de las plantas, en número y diámetro suficiente para acomodar los cables de los diferentes servicios. Una canalización de entrada al RITS desde la cubierta, para el paso de los cables de los elementos de captación de las señales de radio frecuencia. RECOMENDACIONES PARA MEJORAR LA FUNCIONALIDAD Dentro del marco de la ICT, y dado que se trata una ley de mínimos, existe la posibilidad de definir un conjunto de prestaciones algo más amplio, que permita la prestación adecuada de los servicios de gestión digital del hogar. En el análisis que sigue, se distinguen las viviendas de nueva construcción y las antiguas. Esta distinción se debe a que mientras que las nuevas deben construirse con, al menos, una ICT básica, las antiguas no disponen de esa infraestructura básica. Sin embargo, en cualquier momento una vivienda puede decidir, mediante votación en junta de vecinos, acometer las obras para tener una ICT. Viviendas de nueva construcción Como punto de partida, se puede recomendar para el RITI un recinto de 2x2,3 metros en lugar de un armario modular. Esto permitiría llegar con los equipos apropiados hasta la comunidad de vecinos para proporcionar accesos de alta velocidad, e incluso hasta la centralita apropiada para dar el servicio de telefonía básica a dicha comunidad de vecinos. Para aumentar la funcionalidad, el tendido de cables en las verticales, que se disponen de manera adicional para los servicios avanzados de banda ancha, se puede realizar de dos formas diferentes: 1. Con cable multipar UTP de categoría 5, por los tubos de reserva de la canalización principal. 2. Con cable multipar UTP de categoría 5, por los tubos de TLCA de la canalización principal. En los dos casos, los pares serán dos por vivienda. Al número resultante se le aplicará un factor de corrección de 1,4, con objeto de tener pares de reserva en previsión de posibles averías o ampliaciones de demanda. En el RITI se debería instalar, en el espacio reservado para uno de los dos operadores de TLCA, los equipos necesarios para el acceso de alta velocidad. Estos equi- 19

19 Separación Cables UTP 5 y Telefonía ICT Espacio para regletas de telefonía. Debe permitirse el acceso a un segundo operador Espacio para acceso de alta velocidad y central de telefonía básica El tamaño del armario dependerá del nivel de equipamiento y del tamaño del recinto para las infraestructuras de telecomunicaciones. Los dos espacios definidos para el RITI tienen que disponer de puertas separadas. El espacio inferior deberá tener ranuras de refrigeración. La disposición en un armario modular puede seguir el mismo esquema anterior, tal como se muestra en la Figura 3. En la Figura 4 se muestra un armario personalizado para Telefónica, que facilitaría la instalación de equipamiento y cableado, conservando las dimensiones mínimas de un armario modular de 2x1x0,5 metros y por lo tanto intercambiable por uno estándar. Figura 2. Disposición de espacios en el RITI. Solución propuesta para edificios de nueva construcción pos serán dependientes de la tecnología de acceso. En la Figura 2 se muestra un esquema del espacio utilizado por Telefónica en el RITI para ofrecer los servicios de telecomunicaciones. Telefónica Armario de 2x0,5x0,5 m Regletas de Telefónica Espacio para regletas de telefonía. Debe permitirse el acceso a un segundo operador Equipamiento para acceso de alta velocidad y servicios multimedia Cuadro eléctrico Segundo operador de TLCA RITI ( armario 2x1x0,5 m ) La ventaja de este armario reside en la separación de espacios mediante puertas. Por tanto, no sería necesario incluir registros adicionales para los servicios de telefonía básica ni tampoco el espacio reservado para uno de los operadores de televisión por cable (el espacio multimedia de Telefónica). Además se cuenta con las rejillas de ventilación apropiadas para la refrigeración de los equipos instalados en su interior. El armario estaría dotado de fabrica con la instalación eléctrica necesaria para la alimentación de los equipos, como son las bases de enchufe, los magnetotérmicos, etc., así como las regletas de reparto de cables, tanto de telefonía básica como de datos. El PAU El Punto de Acceso al Usuario (PAU) realiza la unión entre la red comunitaria y la red interior del usuario. Delimita las responsabilidades en cuanto a la generación, localización y reparación de averías entre el propietario del inmueble o la comunidad de propietarios. El Punto de Acceso al Usuario recomendado por Telefónica (PAUT) debe contener los siguientes elementos: Un PAU convencional, con espacio suficiente para TB + RDSI, TLCA y RTV. Se debe considerar la posibilidad de colocar un pequeño modulador-amplificador-mezclador para que a la señal de televisión exterior se le pueda sumar la procedente del descodificador de satélite, con objeto de distribuir por la instalación de TV de la vivienda incluso la señal descodificada. Figura 3. Armario modular para el RITI 20

20 Regletas de usuario Regletas de entrada TELEFONÍA BÁSICA Cuadro eléctrico TELEFONÍA BÁSICA Paso de cables entre los dos espacios Cuadro eléctrico ICTT MULTIMEDIA Toma eléctrica Espacio reservado para TLCA de un segundo operador Ventilación Espacio reservado para TLCA de un segundo operador MULTIMEDIA Figura 4. Armario de Telefónica recomendado para el RITI Un cuadro eléctrico, que reduzca el número de transformadores y fuentes de alimentación. Hay que determinar los componentes que estarán presentes en la solución, como pueden ser: Los magnetotérmicos. Los diferenciales. Los transformadores. Las salidas disponibles (12 V, 5 V, 220 Vca, etc.). Las dimensiones de la base de los enchufes. Un módulo de comunicaciones, que incorporará (al menos) un módem ADSL y un hub Ethernet (o módem ADSL con varios puertos Ethernet). Opcionalmente se podría pensar en sustituir este módem por una pasarela residencial. Control domótico 2. En caso de no instalar nada de antemano, el requisito mínimo que se debe considerar como tamaño será el estándar de una central de alarmas. Por defecto se considerará un carril DIN de 10 cm de alto y con opción a incorporar 2 Es el nuevo Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión (ITC-BT-51), y no el reglamento ICT, el encargado de regular las infraestructuras (canalizaciones y cableado), necesarias en el hogar para la instalación de los sistemas domóticos. Dicho reglamento entrará en vigor el 18 de septiembre de 2003, aunque su cumplimiento es voluntario desde la fecha de su aprobación. distintos módulos (cada uno de 10 cm de ancho) como: La fuente de alimentación (OBLIGATORIO). El nodo de gestión de alarmas técnicas y seguridad (OPCIONAL). Cableado. Con objeto de cumplir los requerimientos mínimos de la ICT, se debe reservar espacio, y las correspondientes entradas/salidas, para cumplir dichos requerimientos mínimos. La infraestructura necesaria estará formada por: Cuatro pares trenzados de categoría 5 (teléfono + datos). La instalación se debe hacer en estrella en el interior de la vivienda, permitiendo disponer de la segunda línea con mayor facilidad. Tomas de distribución de señales de TV, con canal de retorno para la inserción de la señal de TV en banda base procedente del descodificador. Cables para TLCA. En principio no es obligatoria su instalación, por lo que Telefónica puede aprovechar este espacio para dejar preinstalado un cable de categoría 5, o instalar posteriormente un cable para aumentar los puntos de acceso a la red Ethernet doméstica. El PAUT (ver la Figura 5) no solo cumple la misión de garantizar el espacio y la alimentación eléctrica para los equipos de comunicaciones de Telefónica, 21

21 50 cm 30 cm TB+RDSI PAU estándar 50x30x6 cm RTV TLCA 6 cm 30 cm Control domótico 30x10x6 cm Módem ADSL 22x19x5 cm HUB 8x19x5 cm Espacio para fuente de alimentación común, central de alarmas, etc. Figura 5. Detalle del PAUT sino que se constituye en un elemento de vital importancia en las campañas de posicionamiento de la imagen de marca. Cableado e instalaciones dentro de la vivienda En las viviendas se procederá al equipamiento del PAUT y el correspondiente cableado UTP de categoría 5 hasta las rosetas. El cable será de cuatro pares y el tendido se realizará en estrella hasta cada roseta. Dos pares irán destinados a datos y los otros dos restantes permitirán disponer de una línea entre dos posibles, o dos líneas de telefonía básica en cada roseta. Es aconsejable que el número de rosetas (tomas de usuario) en el interior de la vivienda sea de una por estancia (descontando baños y trasteros), a excepción del cuarto de estar (salón o salón comedor) donde se recomienda dos tomas, una cercana al equipo de TVvideo y otra libre para otros equipos de telefonía o control. Si existen contadores (de agua o gas), en el interior de la vivienda se llevará al menos un tubo desde el PAUT hasta el punto más cercano a esos contadores para un futuro servicio de lectura a distancia, consumo hasta la fecha, detección de averías, etc. Si las viviendas van a contar con una instalación o preinstalación domótica del tipo distribuido, con un bus de comunicaciones (tipo LonWorks, EIB, etc.), se deberá dejar un acceso para el bus de comunicaciones domótico en el PAUT. En lo que respecta a TV, la ICT contempla por ley la instalación de dos bajantes de cable coaxial para el equipamiento de al menos dos plataformas digitales de TV por satélite. Por tanto, será necesario el equipamiento de los sistemas de cabecera (la normativa no obliga a ello, pero sí obliga a la provisión de espacio) para la distribución de Vía Digital. Esto es, deberá disponer una antena parabólica y del amplificador de FI apropiado, en el RITS, para alimentar la instalación. Se dispondrá de tendido de cable de cuatro pares desde el espacio Multimedia del RITI hasta la entrada del aparcamiento del edificio, para la instalación de cámaras. Asimismo, también existirá un tendido de cable de cuatro pares hasta la roseta de la portería del edificio para el servidor de servicios comunitarios, la vigilancia de accesos al garaje y los servicios comunitarios disponibles en la portería (actas de las juntas de vecinos, estados de las cuentas de la comunidad, etc.). Por último, otro punto a tener en cuenta es el tendido de un cable de cuatro pares (o en su caso de sólo un tubo) desde el espacio Multimedia del RITI hasta las salas de contadores, para un futuro servicio de telemedida y telegestión de los contadores eléctricos o de agua. Viviendas ya construidas Cuando la vivienda está terminada y cuenta solamente con una ICT basada en un criterio de mínimos, se debe proceder a la sustitución del par telefónico, que parte desde el PAU hasta las rosetas (tomas de usua- 22

22 Entrada de pares de telefónía y cable UTP PAU ( 50x30 cm ) HUB Fuente de alimentación Repartidor de TV Splitter Voz LAN interna, UTP5 Roseta módem ADSL Figura 6 Detalle de PAU en vivienda construida rio), por un cable UTP de categoría 5, de cuatro pares o más, en función de la infraestructura de tubos y cables existente en el interior de la vivienda, para permitir así un conexionado final en estrella. Esto permitirá instalar un pequeño hub en el PAU (ver la Figura 6) para así distribuir un acceso de alta velocidad, compartido desde el RITI, dentro de la vivienda. La conexión del hub con la línea de acceso de alta velocidad procedente del RITI, se hará como en el caso descrito para las viviendas de nueva construcción. En lo que respecta a la señal de TV, como en el caso anterior, sólo es necesario instalar una antena parabólica y el correspondiente amplificador de FI (en el RITS, dentro del recinto de infraestructuras de telecomunicaciones) apropiado para alimentar la instalación. El resto de equipamiento está contemplado por la ICT. Finalmente, en lo que respecta a la red domótica, al no disponer de una preinstalación (cableado y registros) habría que considerar soluciones que utilicen la red eléctrica (por ejemplo, la solución X.10) o bien soluciones inalámbricas mixtas (varios fabricantes). CONCLUSIONES En este artículo se ha revisado la reglamentación existente para las Infraestructuras Comunes de Telecomunicaciones (ICT), que constituyen un elemento esencial para permitir la instalación de los nuevos servicios de gestión digital que posibilitan la Vivienda Inteligente en el hogar. Después de describir los elementos esenciales, se ha detallado como deben complementarse las instalaciones ICT partiendo de la normativa mínima obligada por la norma actual, hasta una situación en la que sea posible prestar los servicios con mayor facilidad y de la manera más cómoda para los usuarios. Finalmente, se realiza el mismo tipo de descripción en lo que se refiere al PAU (Punto de Acceso al Usuario). En este caso, de nuevo se hacen una serie de propuestas que permiten mejorar la funcionalidad y que facilitan prestar los servicios, siempre respetando los condicionantes estéticos y los que facilitan la competencia. 23

23 Glosario de Acrónimos ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line FI Frecuencia Intermedia ICT Infraestructura Común de Telecomunicaciones FCT ICT de Telefónica PAU Punto de Acceso al Usuario PAUT PAU recomendador por Telefónica RITI Recinto de Instalaciones de Telecomunicaciones Inferior RITS TB+RDSI TLCA UTP Recinto de Instalaciones de Telecomunicaciones Superior Telefonía Básica + Red Digital de Servicios Integrados Telecomunicaciones por Cable Unshielded Twister Pair Bibliografía 1. Real Decreto-Ley 1/1998 de 27 de febrero sobre Infraestructuras Comunes en los Edificios para el Acceso a los Servicios de Telecomunicación (ICT). 2. Revista Bucle. Colegio Oficial de Ingenieros de Telecomunicación. 3. Reglamento ICT y borrador del nuevo: 24

24 Aplicación del estándar OSGi en la arquitectura del proyecto Hogar.es Miriam Ibáñez Lequerica, Víctor Manuel García Muñoz, José María Montero Cebrián, Cristina Díaz Díaz Telefónica Investigación y Desarrollo El estándar OSGi ofrece grandes ventajas para el despliegue de servicios en entornos residenciales. Apoyándose en la filosofía de este estándar, Telefónica de España, en colaboración con otras empresas, está desarrollando el proyecto Hogar.es. El proyecto permitirá proveer servicios al usuario final sobre una pasarela residencial que hace uso del estándar OSGi. En este artículo se describen las características principales de Hogar.es y sus aportaciones más novedosas. INTRODUCCIÓN Hogar.es es una iniciativa de Telefónica de España financiada parcialmente por el Ministerio de Ciencia y Tecnología, que cuenta con la colaboración de Fagor, Nokia, la Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED) y el Hospital Clínico San Carlos de Madrid, y cuya finalidad es definir, diseñar y probar una plataforma para la provisión de servicios al usuario final sobre una pasarela residencial. Durante la fase piloto del proyecto se van a ofrecer, a un conjunto de usuarios, servicios de telemedicina (desarrollados en coordinación con el Hospital Clínico San Carlos), servicios de teleeducación (desarrollados en coordinación con la UNED), servicios de gestión digital del hogar (provistos por Telefónica de España) y servicios de gestión de electrodomésticos (desarrollados en coordinación con Fagor). En este proyecto se ha optado por el estándar OSGi (Open Services Gateway Initiative) como filosofía base para el desarrollo y despliegue de servicios de banda ancha en viviendas, coches y otros entornos, permitiendo la gestión remota de estos servicios. OSGi es, a día de hoy, el estándar más aceptado por la comunidad internacional para proveer servicios residenciales, y su arquitectura es un estándar definido por la organización del mismo nombre. Esta organización se formó en el otoño de 1999 con más de 80 miembros (generalmente proveedores de servicios, operadores de red y fabricantes de equipos), entre los que se encuentra Telefónica I+D. Su misión principal es definir las especificaciones técnicas de un estándar de arquitectura "end to end" que permita que los proveedores de servicio desarrollen servicios residenciales independientes de la red y de las pasarelas, y los presten de forma segura y con gestión remota a través de un "agregador de servicios" que gestione las pasarelas residenciales OSGi y las conexiones (ADSL) hacia el usuario final. Para ello, OSGi define un software básico denominado "framework" que se ejecuta en las pasarelas residenciales, y sobre el que se instalan piezas de software denominadas "bundles" que conforman los servicios. Como parte de este framework, la especificación proporciona además una serie de facilidades para la gestión de los servicios instalados y la interoperabilidad de los mismos, y un conjunto de utilidades como son: el servicio de acceso HTTP, el servicio de gestión de configuraciones y de preferencias de los usuarios, etc. Las ventajas fundamentales de OSGi son: 25

25 Permite el despliegue y gestión, de forma sencilla y a bajo precio, de servicios y aplicaciones de diferentes proveedores en un entorno único. De esta forma, los diferentes elementos se integran en una misma plataforma formando un todo, y, además, gracias al framework básico sobre el que se ejecutan los servicios, cada uno de ellos puede utilizar las funcionalidades que ofrecen los otros. Los servicios pueden ofrecerse sobre una gran variedad de elementos hardware, desde PCs a dispositivos de menor capacidad como PDAs, o cualquier otro que disponga de una máquina virtual de Java. Permite la gestión remota de los servicios, posibilitando el alta de nuevos servicios, la actualización de servicios existentes o la baja de los mismos, sin intervención del usuario. Debido a todas estas características, se ha escogido la especificación OSGi como una de las bases del proyecto Hogar.es. Como consecuencia de ello, para el desarrollo y despliegue de servicios en las pasarelas residenciales, se ha instalado en cada una de ellas un framework compatible OSGi que permite desarrollar aplicaciones y servicios como piezas de software que se ejecutan sobre esta base, independientemente de la pasarela residencial disponible en cada vivienda. El uso de este framework posibilita además una de las características más diferenciadoras de Hogar.es, consistente en que diferentes proveedores pueden ofertar sus servicios al cliente final, ejecutándose dichos servicios sobre la misma plataforma de forma integrada e interoperando unos con otros. ARQUITECTURA DEL SISTEMA La arquitectura definida dentro del proyecto Hogar.es sigue la filosofía del estándar OSGi, y cuenta por tanto con tres entidades principales (ver la Figura 1): 1. Los usuarios finales, que disponen en su vivienda de una conexión "always-on" basada en ADSL y una pasarela residencial con un framework OSGi compatible. 2. El agregador de servicios, que es el elemento encargado de gestionar los servicios ofrecidos por los proveedores al usuario final. También es responsabilidad suya el mantenimiento de los terminales y otras cuestiones como la seguridad en los equipos, las comunicaciones o la facturación, etc. 3. Los proveedores de servicios, que ofrecen sus servicios a través del agregador. Un elemento central en este esquema es el agregador de servicios, que es el intermediario entre el usuario final y los proveedores de servicios. Los distintos proveedores anuncian en el agregador de servicios la fun- GSM SMS WAP Internet RTB Proveedor de servicios Redes interiores Proveedor de servicios RED IP ADSL Redes interiores Proveedor de servicios PROVEEDORES DE SERVICIOS AGREGADOR Pasarela residencial Redes interiores USUARIOS FINALES Figura 1. Arquitectura de la plataforma Hogar.es 26

26 cionalidad que quieren ofrecer al usuario final, y éste seleccionará los servicios que desea de entre todos los que ofrecen dichos proveedores. El agregador, después de comprobar que no hay ninguna incompatibilidad en el uso de recursos o dispositivos con los restantes servicios que el usuario ya disfrutaba, instalará en la pasarela, de forma remota y segura, las piezas de software necesarias. Componentes básicos Los tres elementos que se consideran más importantes dentro de la plataforma Hogar.es son: El sistema de gestión, que reside en el agregador de servicios y que permite la gestión remota tanto de las pasarelas como de los usuarios, proveedores y servicios registrados en la plataforma. Las comunicaciones entre las distintas entidades de la arquitectura: usuarios finales (conexiones con las pasarelas residenciales de cada vivienda), agregador de servicios y proveedores de servicios. La arquitectura de dispositivos que se utilizará en las pasarelas residenciales, la cual permite el control de las redes interiores y los dispositivos conectados a las mismas. El sistema de gestión Como se ha comentado anteriormente, dentro de la arquitectura OSGi, el agregador es el encargado de ofertar a los clientes los servicios de los distintos proveedores a través de una interfaz común. Esto implica una mayor accesibilidad del cliente a los distintos servicios, ya que todos los servicios a los que un usuario puede acceder serán ofertados desde un único punto, y la inscripción a todos ellos se realizará de un modo similar. Para ello, el agregador dispone de un sistema de gestión que tiene como función la provisión de los servicios de terceros (proveedores) en las pasarelas. Las tareas realizadas por el sistema de gestión son las siguientes: Almacenar la información relativa a los usuarios que se dan de alta en el sistema, tanto los datos sobre la pasarela o pasarelas del cliente, como los relacionados con la facturación. La gestión de los perfiles de usuario y de los permisos asociados a cada uno se maneja también desde el agregador. Publicar los servicios ofertados por los diferentes proveedores. Recoger y almacenar el software asociado a los diferentes servicios (bundles instalables en la pasarela). Gestionar los usuarios de cada servicio, manteniendo la información relativa a los usuarios que se dan de alta o de baja en un servicio e informando al proveedor del mismo. Actualizar automáticamente el software de los servicios en caso de que exista algún error o de que el proveedor aporte nuevas versiones de su software. Analizar las dependencias e incompatibilidades entre las aplicaciones de diferentes proveedores, con el fin de que la instalación y ejecución de los bundles de los diferentes servicios sean correctas. Así, por ejemplo, se puede analizar si el tipo de terminal sobre el que se va a ejecutar un servicio es el adecuado. La interfaz hacia el exterior del sistema de gestión queda reflejada a través de tres portales, según quién acceda al sistema y lo que quiera realizar en él. Estos portales son: 1. El portal del proveedor de servicios Es la interfaz del proveedor para darse de alta en el sistema, así como para dar de alta, modificar, actualizar y dar de baja los servicios que se quieren ofrecer al usuario final a través del agregador. Cuando un proveedor se da de alta en el sistema de gestión, éste le ofrece una API a la que puede conectarse utilizando el protocolo SOAP y que le permite acceder a determinada información relativa a los usuarios inscritos en sus servicios, al registro de tarificación, etc. En la Figura 2 se muestra el aspecto de este portal. 2. El portal doméstico Es la interfaz de acceso por parte del usuario final (ver la Figura 3). Cuando un usuario se inscribe en el sistema, puede acceder a su portal doméstico. Desde este portal el usuario puede darse de alta y de baja de los servicios que se le ofertan, así como 27

27 Figura 2. Aspecto del portal del proveedor de servicios disfrutar de las funcionalidades de aquellos donde está inscrito. De esta manera el usuario no tendrá que recordar un enlace por cada servicio, ya que todos los servicios serán accesibles desde la misma interfaz. 3. El portal del operador Desde este portal un operador del sistema puede dar de alta a un proveedor o a un usuario, y ver el estado en el que se encuentran las pasarelas, también puede obtener la información de los servicios de cada proveedor que se encuentran instalados en cada pasarela. Se trata de la interfaz desde la cual el agregador puede gestionar los usuarios, pasarelas y proveedores a nivel de servicio. En la Figura 4 se muestra el aspecto de este portal. Figura 3. Aspecto del portal doméstico 28

28 Figura 4. Aspecto del portal del operador Comunicaciones entre entidades El proyecto Hogar.es se basa en una arquitectura descentralizada, donde el diseño de las comunicaciones entre las distintas entidades y la seguridad de las mismas es un requisito imprescindible. La gran mayoría de los servicios ofrecidos por los proveedores a sus clientes están divididos en dos bloques, una parte del servicio se ejecuta dentro de las pasarelas de los usuarios y la otra parte se ejecuta en los propios servidores del proveedor. Así, por ejemplo, en un servicio de averías de electrodomésticos, la pasarela se encarga de enviar los parámetros de los electrodomésticos conectados a su red al servidor central, y éste los analiza detectando posibles averías. De esta forma, cuando se detecta una avería en alguno de ellos, se desencadenan un conjunto de acciones (workflow) que permiten solucionar el problema lo más rápidamente posible. La información intercambiada entre la pasarela y el servidor debe ir, al menos, autenticada en ambos sentidos. De esta manera, tanto el proveedor como el usuario se aseguran que la información no proviene de un intruso. Además existen otros servicios que no sólo requieren autenticación de la información, sino que además requieren la encriptación de la misma. Tal es el caso de los servicios de telemedicina y de seguridad. En telemedicina, los pacientes desde sus casas pueden medir ellos mismos la tensión o el azúcar en la sangre y transmitir esos datos al hospital para que éste los analice, los datos deben transmitirse no sólo autenticados sino además encriptados. Asimismo, la transmisión de las imágenes recogidas por las cámaras de seguridad de una vivienda debe ir igualmente encriptada para asegurar la privacidad de las mismas. Además de la seguridad en la transmisión de la información, existe otro punto clave que es la seguridad de acceso. En este sentido, la pasarela es el punto de acceso a la vivienda. Es la encargada de poner en comunicación los dispositivos conectados a las distintas redes del hogar con el exterior y viceversa. Dentro de Hogar.es, la implementación del control de acceso requiere que todas las comunicaciones hacia las pasarelas se realicen a través de un nodo en el agregador que comprueba la autenticación del emisor y redirige la llamada hacia la pasarela adecuada. Aparte de la comunicación proveedor-pasarela existe también la comunicación agregador-pasarela. El agregador se encarga no sólo de garantizar la seguridad de acceso a las pasarelas, sino también de la administración de las mismas. Es por tanto el encargado de instalar, actualizar y desinstalar los bundles correspondientes a los servicios que cada usuario tiene contratados. La Figura 5 muestra el esquema de comunicaciones que Hogar.es propone para dar solución a las cuestiones anteriormente expuestas. 29

29 PROVEEDOR DE SERVICIOS Petición XML-SOAP-RPC sobre HTTPS AGREGADOR Respuesta Figura 5. Esquema de comunicaciones entre entidades Petición XML-SQAP-RPC + HTTP sobre IPSEC HTTP FIREWALL PASARELA RESIDENCIAL Para solucionar la problemática de las comunicaciones se utilizan sistemas estándar, en la medida de lo posible. De esta forma, toda la información intercambiada entre los distintos actores va encriptada mediante los protocolos HTTPS o IPSEC. Asimismo, los proveedores pueden comunicarse con las pasarelas utilizando SOAP-RPC sobre HTML. Esto permite que los proveedores puedan ejecutar funciones remotas sobre las pasarelas. Para ello, las pasarelas disponen de un bundle OSGi servidor de SOAP que ejecuta las llamadas a los distintos servicios de la pasarela. Del mismo modo, el protocolo SOAP facilita la tarea de control de acceso, ya que contempla el concepto de nodo intermediario. Por tanto, toda la comunicación se envía a la pasarela a través de un nodo intermediario en el agregador que verifica la autenticidad de la misma. Como ejemplo ilustrativo del establecimiento de las comunicaciones, se puede analizar el caso de un proveedor de servicio que necesite ejecutar remotamente algún tipo de software instalado en la pasarela. Para ello, el proveedor de servicio enviará un mensaje SOAP con la petición a un nodo intermedio SOAP que se encuentra en el agregador. Este nodo procesará el mensaje y, tras realizar las comprobaciones de autenticación y autorización adecuadas, enviará el mensaje al servidor SOAP correspondiente, que se encontrará en la pasarela como un bundle más. El servidor SOAP redirigirá el mensaje al servicio apropiado de la pasarela y enviará la respuesta de vuelta al proveedor del servicio. Arquitectura de dispositivos En lo que respecta a los dispositivos, se ha elegido una APLICACIÓN Dispositivo Hogar.es Lavadora Fagor Dispositivo Hogar.es Driver Hogar.es Dispositivo Hogar.es DISPOSITIVO Device persiana Lonworks Device persiana OSGi Device OSGi Device lavadora Fagor Device lavadora OSGi Device OSGi Device luz X.10 Device luz OSGi Device OSGi Driver persiana Lonworks Driver lavadora Fagor Driver luz X.10 Base Device Lonworks Base Device Fagor Base Device X.10 RED Base driver de Lonworks Base driver de Fagor Base driver de X.10 DISP DISP DISP DISP DISP DISP DISP DISP DISP DISP: Dispositivo Figura 6. Arquitectura de dispositivos 30

30 arquitectura basada en OSGi con tres niveles (ver la Figura 6): 1. El nivel de red, donde un dispositivo es considerado como un elemento en una red, ya sea de datos o de control. Por ejemplo, una cámara es un elemento dentro de una red IP, una luz es un elemento de una red de control, etc. 2. El nivel de dispositivo, donde cada dispositivo pertenece a una determinada clase en función de su funcionalidad (una luz, una cámara, etc.), independientemente de la red a la que esté conectado. 3. El nivel de aplicación, donde cada dispositivo es considerado como un elemento de la plataforma Hogar.es y puede ser controlado dentro de esta plataforma. Se ha diseñado un servicio de control de dispositivos para permitir el acceso y control de los mismos a nivel de aplicación. Es posible acceder a este dispositivo desde cualquier otro servicio OSGi de la pasarela como un servicio OSGi o desde fuera de la pasarela como un web service, usando el servidor SOAP de la pasarela, que redirigirá la petición al servicio OSGi (ver la Figura 7). Dentro del proyecto Hogar.es se han desarrollado también un conjunto de servicios, usando el servicio de control de dispositivos, para permitir el acceso a los mismos desde web, WAP, mensajes cortos, etc. INTEGRACIÓN DE SERVICIOS Cualquier servicio que se preste dentro de Hogar.es va a tener que interactuar de forma controlada con diferentes actores: el sistema de gestión (que actúa como agregador de servicios), las diferentes pasarelas, los usuarios finales y otros servicios. Como es lógico, el objetivo último es siempre prestar el servicio de forma óptima de cara a los usuarios finales. Dentro de Hogar.es se consideran, además, tanto los proveedores como los actores responsables de prestar los servicios al usuario. A continuación se describen las diferentes clases de interacciones, ilustrándolas con ejemplos extraídos de la implementación. Interacciones con el sistema de gestión De los diferentes planos de integración, el primero y más importante tiene lugar entre el proveedor de servicios y el sistema de gestión o agregador. Se trata de una interacción bidireccional. Cuando un proveedor registra su servicio, pone a disposición del sistema de gestión los bundles o elementos del servicio que van a instalarse (y ejecutarse) en las pasarelas de los usuarios que se suscriban al mismo. Es el sistema de gestión el que se encarga de difundir, APLICACIÓN EXTERIOR Web service PASARELA RESIDENCIAL Servlets Servidor SOAP Bundles OSGi Servicio de control de dispositivos Almacenamiento Servicio HTTP OSGi Framework OSGi Figura 7. Ejemplo de acceso a dispositivos 31

31 instalar, arrancar y parar dichos bundles en las pasarelas adecuadas, manteniendo siempre informado al proveedor de servicios. Esto permite que un proveedor pueda ofrecer de forma simple un nuevo servicio (o una nueva versión de uno existente), al realizar el sistema de gestión el despliegue del mismo (tal es el caso de la empresa Fagor, que provee un servicio de control de sus electrodomésticos de línea domótica dentro de Hogar.es). Para desplegar el servicio, sólo hay que registrar el servicio, incluyendo los bundles específicos del mismo. De esta forma, un proveedor podrá ofrecer un nuevo servicio a todos los usuarios de manera muy rápida y segura. A pesar de no ser objeto de este apartado, no conviene olvidar que esta ventaja se añade a la de ofertar el servicio de forma integrada y homogénea con todos los existentes en Hogar.es. Aparte del registro, el sistema de gestión ofrece al proveedor de servicios una serie de funciones mediante las cuales cualquier proveedor puede obtener datos relevantes sobre su servicio y los usuarios suscritos en el mismo (por ejemplo, en el proceso de alta de un usuario en un servicio, el proveedor de servicios solicita los datos de ese usuario al sistema de gestión, evitando que sea el usuario el que deba introducirlos en el contexto del servicio). Esta práctica conlleva diferentes ventajas: por un lado, en lo que respecta al usuario se evita que éste deba introducir sus datos personales para cada servicio en el que se suscriba, por otro lado, el servicio se asegura de la autenticidad de los datos del nuevo usuario, haciendo que el fraude sea más complicado. Obviamente, el sistema de gestión debe controlar la difusión de datos confidenciales (solicitando siempre la autorización del propietario de dichos datos) y evitar que un proveedor pueda consultar datos de servicios a los que no tiene acceso (por ejemplo, porque no le incumben), además es imposible que obtenga cualquier dato de un usuario no suscrito a ese servicio. Otros datos que se pueden pedir son las direcciones de las pasarelas o solicitar la configuración remota del cortafuegos de dichas pasarelas. Este mecanismo se basa en llamadas a procedimiento remoto (RPC) con SOAP. También existe un mecanismo de notificación asíncrono desde el sistema de gestión a los proveedores, el cual sirve para informar sobre hechos relevantes (tal es el caso de la gestión de usuarios, que se basa en este mecanismo). En el servicio de agenda, se comunica de esta forma el alta o baja de un usuario. La idea es que las altas y bajas en servicios se hagan a través del agregador (de forma que se mantenga bajo control la gestión de usuarios), y una vez completado el proceso en el agregador, se comunica el hecho al servicio correspondiente. Este mecanismo se basa también en llamadas RPC con SOAP en las que los servicios implementan el tratamiento de las notificaciones que les resultan interesantes. Por último, en el envío de datos desde los proveedores al sistema de gestión, lo que se realiza fundamentalmente es el envío de estadísticas y logs para obtener datos de uso de los diferentes servicios, pudiendo elaborar diagramas de utilización comparativos entre servicios. Esta tarea es opcional para los servicios pero, en un futuro, va a permitir realizar funcionalidades como la facturación delegada, que será ejecutada por el agregador que interaccionará con los sistemas corporativos de Telefónica de España, o el establecimiento de un sistema global de data warehouse. Por ahora, en Hogar.es se van a enviar estadísticas de uso e informes de errores como medio para comprobar el uso y la aceptación de los diferentes servicios. Servicios de la plataforma Otro tipo de interacción es la posibilidad de utilizar funcionalidades de los denominados servicios básicos de la plataforma Hogar.es que enriquezcan y simplifiquen las implementaciones de los diferentes servicios. En Hogar.es se incluye un servicio para enviar mensajes cortos a móvil (SMS). Tal es el caso del servicio de la UNED que tiene como opción la notificación mediante SMS de todo lo referente a hechos relevantes del servicio (en este caso concreto, matriculaciones en cursos a distancia). La UNED utiliza el sistema de SMS de Hogar.es para el envío de los mensajes cortos, simplificando sus sistemas, además de realizar un potencial ahorro a la hora de pagar los SMS enviados. Estas interacciones se implementan sobre un sistema estándar de comunicaciones SOAP. Otro caso interesante es la posibilidad de acceder al control de dispositivos de las pasarelas. Dentro de Hogar.es se ha implementado una jerarquía completa de dispositivos, así como un servicio de control de los mismos. El objetivo es que otros servicios tengan acceso a los dispositivos de un hogar mediante este sistema de control (tal es el caso de la empresa Fagor, que va a implementar un servicio de control y diagnóstico remoto de sus electrodomésticos). Para este servicio es necesario acceder a las pasarelas y conocer la lista de dispositivos y características de los mismos, como son las redes a las que están conectados, o incluso actuar sobre los propios dispositivos. En la imple- 32

32 mentación del servicio se van a utilizar las capacidades de control de dispositivos de la plataforma, empleando componentes a medida únicamente para las funcionalidades particulares de los electrodomésticos de Fagor. Por tanto, uno de los pilares de este servicio es la interfaz estándar para acceder y controlar los diferentes dispositivos, basada en un sistema OSGi. Obviamente, la seguridad es fundamental para evitar que, por ejemplo, un proveedor de servicios relacionado con electrodomésticos acceda a otros dispositivos del hogar (como, por ejemplo, las cámaras de vigilancia), o que acceda a otros hogares que no tengan electrodomésticos de ese suministrador. Todo ello lo proporciona el sistema de control de dispositivos. Dentro de la categoría de servicios de la plataforma se incluyen, entre otros, los servicios siguientes: Envío de SMS. Envío de s. El servicio de control de dispositivos. El servicio de videoconferencia. Interacción entre servicios Las posibilidades de interacción y colaboración entre diferentes servicios son muy elevadas, pero también complejas de ejecutar. En concreto, se trata de que un servicio ofrezca ciertas funcionalidades a otros servicios de Hogar.es, recibiendo las correspondientes compensaciones por la prestación de las mismas. La idea es que esta colaboración enriquezca la experiencia de los usuarios finales, al entrelazar servicios, potenciando así su uso. Un ejemplo de este tipo de interacciones se articula en torno a los servicios de telemedicina y de agenda personal. Dentro de las funcionalidades del servicio de telemedicina se encuentra la de envío de notificaciones de tipo médico a los pacientes del servicio. En lo que respecta al servicio de agenda personal, éste dispone de un sistema de tareas periódicas programables que permiten realizar notificaciones al comienzo de las mismas (entre otras opciones). En el desarrollo se tomó la decisión que una implementación optimizada sería la de integrar ambos servicios. De esta forma, el médico, a través de la interfaz del servicio de telemedicina, puede introducir tareas de tipo médico dentro de la agenda de tareas de los pacientes, pudiendo configurar la forma de notificación de las mismas. Esto ahorra al servicio de telemedicina la necesidad de acceder a las pasarelas y de implementar tareas programables. Para realizar la integración, el servicio de agenda implementó una interfaz basada en SOAP que ofrece las funciones de gestión de tareas, teniendo muy en cuenta los aspectos de seguridad. Esta integración ha tenido otras ventajas suplementarias, como la inclusión de las tareas médicas dentro de la agenda general del paciente, pudiendo ser visualizadas por el usuario como una tarea más. CONCLUSIONES La filosofía definida por el estándar OSGi es apropiada para la definición de una plataforma de provisión de servicios. De esta forma, se hace necesaria la presencia en las viviendas de una pasarela residencial con un framework compatible con OSGi. Estas pasarelas han de estar "always-on", por lo que han de contar con una interfaz de red exterior que permita conectividad ADSL. Por otra parte, ha de existir en este tipo de sistemas una figura que centralice la oferta de servicios de cara al usuario final, ofreciéndole una única interfaz desde la que pueda tener acceso a todos ellos de forma unificada. Esta figura centralizadora es el agregador de servicios, el cual no se encargará de proveer servicios, sino que su misión será reunir los que ofrecen aquellos que conocen los diferentes negocios, es decir, los proveedores de servicios. La seguridad, tanto de los equipos como de las comunicaciones, entre los diferentes elementos del sistema es un requisito indispensable, y una de las mejores formas de conseguirla es centralizando los accesos a través del agregador. 33

33 Glosario de Acrónimos P o r ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line último, hay que destacar que las redes interiores de la vivienda y los dispositivos API Application Programming Interface GSM Global System for Mobile conectados a las mismas han de caracterizarse de forma que ofrezcan una interfaz HTML HiperText Markup Language HTTP HyperText Transfer Protocol HTTPSunificada HyperText Transfer y sencilla Protocol que Secure permita un fácil acceso a los servicios. OSGi Open Services Gateway Initiative PDA Personal Digital Assistant RPC RTB SMS SOAP UNED WAP XML Remote Procedure Call Red Telefónica Básica Short Message Service Simple Object Access Protocol Universidad Nacional de Educación a Distancia Wireless Application Protocol Extensible Markup Language Bibliografía 1. OSGi: 2. Dave Marples and Peter Kriens: The Open Services Gateway Initiative: An Introductory Overview.IEEE Communications Magazine. December IBM Pervasive Computing Division: Service Gateway: Strategy White Paper.August Open Services Gateway Initiative: OSGi Service Platform Release 2. IOS Press. October

34 Nuevos estándares de codificación de vídeo Paulo Villegas Núñez, José Luis Gómez Soto Telefónica Investigación y Desarrollo Una parte fundamental del éxito reciente de los servicios multimedia digitales reside en las prestaciones alcanzadas por las técnicas de compresión de vídeo. El presente artículo expone las características generales compartidas por la mayoría de los algoritmos de compresión de vídeo actuales, haciendo un repaso de la historia reciente de los estándares y formatos de compresión de vídeo más utilizados. Se presta atención especial a las características, prestaciones y perspectivas del nuevo estándar que está siendo elaborado conjuntamente por ITU-T e ISO, denominado coloquialmente JVT. Telefónica I+D tiene una larga experiencia en sistemas de codificación de vídeo, incluyendo la participación en los comités de estandarización (especialmente MPEG), y como consecuencia ha venido desarrollando sistemas basados en ellos, orientados a la provisión de servicios multimedia sobre distintas redes. En este contexto JVT puede significar la apertura de nuevas posibilidades en la creación de dichos servicios. INTRODUCCIÓN La codificación 1 de vídeo es un elemento clave para el despliegue de servicios multimedia, puesto que el vídeo digital sin comprimir supone un flujo de datos demasiado grande para poder ser tratado, transmitido o almacenado. Esta compresión es posible porque la señal de vídeo contiene gran cantidad de información redundante, que puede suprimirse sin perjudicar en exceso la calidad de la señal. La redundancia puede ser esencialmente de dos tipos: 1. Redundancia espacial. Se debe, en general, a que las imágenes contienen zonas uniformes, cuyo contenido en información es bajo. 1 Aunque el término exacto sería compresión de vídeo, se denomina habitualmente codificación, concepto en realidad más amplio ya que, aparte de la compresión (codificación de fuente), puede comprender también la codificación de canal y la encriptación. 2. Redundancia temporal. Es consecuencia de que en una secuencia de vídeo existe habitualmente gran parecido entre imágenes consecutivas. La codificación empleada es siempre con pérdidas (es decir, la señal recuperada por el descodificador nunca es igual a la original), ya que las técnicas más potentes de codificación sin pérdidas para vídeo no son capaces de conseguir consistentemente ahorros de ancho de banda de más del 50 por ciento, cantidad insuficiente para las necesidades de transmisión. El desafío de los codificadores es que esas pérdidas sufridas por la imagen sean aceptables para el usuario final. En el artículo se realiza una exposición de la historia de los estándares y formatos de compresión de vídeo más usados (de los que puede verse un esquema temporal en la Figura 1), pasando a continuación a describir el último estándar en este campo, el cual está en estos momentos en proceso de finalización: el estándar H.264/MPEG-4 AVC, también conocido como JVT. 35

35 ITU ISO H.261 H.263 MPEG-1 MPEG-2 MPEG-4 H.263 v.2 H.26L MPEG-4 v2 JVT (MPEG-4 AVC/ H.264) QuickTime QT 1.0 QT 2.0 QT 3.0 QT 4.0 QT 5.0 QT 6.0 Windows Media VIW (AVI) ASF WMV4 WMV7 WMV8 WMV9 RealMedia RV1 RV7 RV8 RV AÑO Figura 1. Evolución de estándares y formatos de vídeo COMPARACIONES DE CALIDAD SUBJETIVA EN LOS ALGORITMOS DE CODIFICACIÓN La manera más fiable de comparar la calidad ofrecida por los algoritmos de codificación es realizar pruebas normalizadas de calidad subjetiva [1]. Estas pruebas realizan una serie de codificaciones sistemáticas usando los algoritmos que se están probando, y luego someten el resultado a sesiones de evaluación por parte de un conjunto de usuarios, en las que, en condiciones normalizadas, deben dar su opinión sobre la calidad de las secuencias que se les presentan (en orden aleatorio). Posteriormente se realiza un análisis estadístico para obtener una opinión media (MOS) en una escala. Han sido estandarizadas por ITU diferentes variantes de estas pruebas, como método efectivo de evaluación. Se trata de un método laborioso que requiere tiempo y esfuerzo, pero es la única manera de obtener resultados realmente representativos. Telefónica I+D dispone de un laboratorio de pruebas que permite la realización de tests subjetivos de calidad, en donde se efectúan comparaciones de algoritmos y equipos para poder seleccionar la alternativa más adecuada para la prestación de servicios de vídeo. Cuando se carece de pruebas subjetivas es común recurrir a comparaciones numéricas como la relación señal/ruido (calculada entre la secuencia original y la secuencia codificada y descodificada). Estas medidas pueden dar una cierta idea de la diferencia de calidad entre dos algoritmos, pero no permiten una correlación clara con la percepción real de la calidad, tal como es observada por los usuarios. LOS ESTÁNDARES CLÁSICOS La práctica totalidad de los estándares de compresión de vídeo siguen el modelo denominado codificación híbrida (llamado así por combinar dos modos de codificación). La Figura 2 muestra un esquema general de un codificador híbrido, que consta de los tres módulos fundamentales siguientes: 1. Estimación y compensación de movimiento. La imagen por codificar se divide en bloques (el tamaño más usado es 16x16 puntos); para cada uno de ellos se busca el bloque más parecido en otro cuadro (o más de uno), denominado cuadro de referencia. Una vez localizado se resta el bloque del cuadro de referencia al bloque con el que se está trabajando, obteniéndose el residuo de la predicción. Esta fase no se aplica sistemáticamente en todas las imágenes y a todos los bloques de la imagen, sino que hay áreas de la imagen en las que no se emplea, debido a que no existe una referencia válida (nue- 36

36 Regulación Módulo 1 Módulo 2 Módulo 3 Estimación de movimiento + DCT Q VLC buffer multiplex Memoria de cuadros -1 Q Módulo de decisiones + Módulo 4 DCT -1 Figura 2. Esquema básico de un codificador híbrido vos elementos en la escena) o a que se desea reiniciar la codificación. Como consecuencia aparecen dos modos de codificación: intercuadro (inter), en los que sí se emplea, e intracuadro (intra), en los que no. 2. Aplicación de transformada y cuantificación. A los bloques resultado del paso anterior se les aplica una transformación matemática, con el objetivo de descorrelar sus elementos (eliminar la dependencia estadística entre ellos). La transformada más usada es la transformada discreta del coseno o DCT, utilizando bloques de 8x8 puntos. A los coeficientes transformados se les aplica una cuantificación, en la que se usa más precisión para los coeficientes que son importantes desde el punto de vista visual. Este es el paso en el que se producen las pérdidas de codificación. 3. Codificación estadística. Los coeficientes transformados y cuantificados son codificados mediante técnicas de códigos de longitud variable que aprovechan la distinta probabilidad de ocurrencia de dichos coeficientes (códigos Huffman, codificación aritmética, etc.). Existe un cuarto módulo que se corresponde con el lazo de descodificación que debe llevar el codificador, para poder regenerar el cuadro que se va a usar en la compensación de movimiento, y de esta manera asegurar que tanto el codificador como el descodificador operen sobre la misma referencia. De lo contrario se produciría una divergencia entre ambos. Históricamente, el primer codificador híbrido de amplia difusión fue el especificado en el estándar H.261 [2], desarrollado por el grupo de trabajo de codificación de vídeo (SG16, Study Group 16) de ITU-T. Este estándar está orientado a la transmisión de señales de videotelefonía y, por tanto, plantea requisitos de bajo retardo. Todavía hoy continúa siendo la norma más usada por los equipos de videotelefonía. Posteriormente apareció MPEG-1 [3], desarrollado dentro del comité MPEG de ISO. Es un estándar más genérico, adecuado para todo tipo de vídeo, y tuvo una amplia repercusión, hasta el punto de que puede considerarse que inició la revolución del vídeo digital. Todavía más importancia ha tenido (y sigue teniendo) el estándar MPEG-2 [4], sucesor de MPEG-1 y muy parecido a él (la parte de vídeo de MPEG-2 añade esencialmente capacidades de tratamiento de vídeo entrelazado y adaptación para tasas binarias y calidades más altas). MPEG-2 es la base de los sistemas de televisión digital (por satélite o terrenal), y del DVD. Para garantizar la compatibilidad entre equipos, MPEG-2 define una serie de perfiles, que establecen conjuntos de funcionalidad, y niveles, que definen grados de complejidad restringiendo parámetros del codificador, y por tanto se traducen en diferentes niveles de exigencia de capacidad de computación para el codificador y el descodificador. El sucesor de H.261 por parte de ITU es H.263 [5], un estándar también principalmente orientado a videotelefonía que incorpora considerables mejoras 37

37 de calidad respecto a su predecesor. Para todos estos estándares la parte normativa reside exclusivamente en la especificación de la trama comprimida, no en el proceso de compresión. Lo que se traduce en que la parte estandarizada no es el codificador sino el descodificador. Al no ser normativo el codificador, las empresas pueden desarrollar diferentes técnicas de codificación que presenten variación en las prestaciones que ofrecen, pero garantizando la compatibilidad con el estándar. Por último es de destacar que, aunque este artículo está centrado en la parte de vídeo, todas estas normas llevan también asociados unos estándares equivalentes para la compresión de señales de audio, así como una capa de sistemas que permite combinar ambas señales (vídeo y audio) y adaptarlas para asegurar su sincronización y transmisión por red. EVOLUCIÓN RECIENTE DE LOS ESTÁNDARES Formatos propietarios Los estándares de ISO e ITU tienen su origen histórico enfocado al uso de vídeo en sistemas de comunicaciones. Existe una línea paralela de trabajo, desarrollada originalmente en el área de la informática de consumo. Este sector ha estado tradicionalmente dominado por soluciones particulares provenientes de fabricantes de software. Los dos proveedores tradicionales de formatos de vídeo han sido los suministradores clásicos de sistemas operativos de consumo, Microsoft y Apple; a los que se ha incorporado más recientemente RealMedia. El primer formato aparecido fue QuickTime de Apple, que permitía almacenar vídeo y audio en ficheros para su reproducción en ordenadores Macintosh. Por su parte Microsoft creó el formato AVI (Audio Video Interleaved), que hacía lo propio en el sistema operativo Windows (posteriormente aparecieron versiones cruzadas de ambos formatos, lo que permitía usar cualquiera de ellos en las dos plataformas). Es de destacar que tanto QuickTime como AVI son en realidad un formato de fichero, no un algoritmo de codificación de vídeo (o audio). Este formato permite incorporar de forma normalizada pistas de vídeo o de audio que hayan sido codificadas usando algoritmos de compresión, resultando, por tanto, afines a, por ejemplo, la capa de los sistemas de MPEG. Quick- Time y AVI pueden usar un número indefinido de codecs (codificadores/descodificadores) de vídeo, para lo cual disponen de una API para la manipulación de las pistas de vídeo. Como consecuencia han ido apareciendo multitud de codecs distintos de vídeo de terceros suministradores, muchos de ellos soportados en los dos formatos (tal es el caso de CINEPAK o Intel Indeo). La explosión de Internet motivó la necesidad de ampliar los formatos AVI y QuickTime para posibilitar la reproducción "en flujo" (streaming) en vez de localmente: el fichero se va enviando desde un servidor y se descodifica y muestra según se envía, sin necesidad de esperar a que llegue por completo para empezar a reproducirse. Para ello Apple añadió capacidades de streaming a QuickTime; Microsoft por su parte desarrolló una nueva especificación, sustituta de AVI, que llamó ASF (Advanced Streaming Format). Posteriormente rebautizó el formato como Windows Media. Por esta época surgió Real Networks como un tercer proveedor de solución de streaming con su formato RealMedia que, a diferencia de los anteriores, no estaba ligado a una plataforma concreta. Estos tres formatos suponen hoy en día la abrumadora mayoría de los contenidos disponibles en Internet. Es de destacar que tanto QuickTime como RealMedia (especialmente el primero) en sus últimas versiones proporcionan soporte para incorporar vídeo codificado en MPEG-4 (tal como se describe en el apartado siguiente). Microsoft, por su parte, soporta actualmente en Windows Media únicamente su propio codec de vídeo, denominado Windows Media Video (WMV) 2. Últimamente está alcanzando gran popularidad el formato DivX, en sus distintas variantes. Sin embargo DivX no es más que una combinación de distintos formatos y algoritmos ya existentes. Concretamente, en su parte de vídeo emplea codificación de vídeo MPEG-4, típicamente con los perfiles Simple o Advanced Simple. Nuevos estándares Tras la creación de los estándares mencionados en el 2 Las versiones iniciales de Windows Media incorporaban codecs de vídeo MPEG-4 (probablemente como resultado de la fuerte actividad de Microsoft en el comité MPEG durante el desarrollo de MPEG-4). Posteriores versiones se han apartado del estándar. 38

38 apartado anterior, tanto el comité MPEG de ISO como el SG16 de ITU han continuado trabajando en la elaboración de nuevas especificaciones que permitan ofrecer mejores prestaciones o funcionalidad adicional. Todas han seguido utilizando el esquema del codificador híbrido mencionado anteriormente, al que han ido incorporando variaciones para conseguir mejoras adicionales. En cuanto a ITU, tras finalizar en 1995 el estándar original H.263 para videotelefonía, el grupo VCEG (Video Coding Experts Group) de ITU-T comenzó a trabajar en dos áreas paralelas de desarrollo: una a corto plazo, con el fin de añadir características extra al estándar H.263, produciendo así la siguiente revisión del estándar en 1998 (más tarde se publicaron anexos adicionales), y otra a largo plazo, que permitiera desarrollar un nuevo estándar para comunicaciones visuales con alto nivel de compresión. Esta última línea de actividad produjo el borrador del estándar "H.26L", que de forma significativa ofrecía mejor eficiencia en la compresión de vídeo que los anteriores estándares de ITU-T. El modelo de referencia del codificador en elaboración por VCEG se denominó Test Model Long Term (TML), y pasó por sucesivas ediciones. H.26L ha sido la base del nuevo estándar JVT que se describe en el siguiente apartado. Por parte de MPEG, el sucesor de MPEG-2 es el estándar MPEG-4 [6]. Este es un estándar mucho más versátil que su predecesor (y como consecuencia también mucho más complicado), que incluye numerosos algoritmos y variantes para la compresión de vídeo, audio y gráficos, así como la composición de escenas 3D interactivas a partir de objetos. En lo que se refiere a la codificación de vídeo "tradicional", incorpora sustanciales mejoras de calidad frente a MPEG-1 y MPEG-2, contrastadas mediante pruebas subjetivas. Dada la complejidad de MPEG-4, el número de perfiles definidos es mucho mayor que en MPEG-2. De todos ellos los más usados actualmente para codificación de vídeo natural, en aplicaciones de distribución o vídeo bajo demanda, son el perfil Simple (SP) y el perfil Advanced Simple (ASP). Ambos definen exclusivamente vídeo rectangular (es decir, no tienen soporte para objetos de vídeo); y el perfil Advanced Simple incorpora sobre el Simple una serie de técnicas adicionales que le permiten una reducción mayor del ancho de banda usado. No se han publicado comparaciones fiables de calidad (es decir pruebas subjetivas) entre los estándares recientes (MPEG-4) y las soluciones propietarias mencionadas anteriormente (Windows Media, Real- Media, etc.). Sin embargo puede argumentarse que no existen grandes diferencias de calidad entre ellos. En la práctica la decisión de un proveedor de servicio o de contenidos entre optar por uno o por otro se basará más en otro tipo de consideraciones: disponibilidad para las plataformas deseadas, facilidad de uso, licencias y patentes, adecuación a la estrategia de la empresa, o mantenimiento y soporte a medio y largo plazo. EL ESTÁNDAR JVT Tras unas pruebas de comparación de calidad subjetiva realizadas en el año 2001, el comité MPEG reconoció los beneficios potenciales del borrador H.26L, lo que condujo a la formación del comité conjunto JVT (Joint Video Team), que incluía expertos de MPEG (ISO) y VCEG (ITU-T). La tarea del JVT ha sido la de terminar la especificación del borrador H.26L y convertirlo en un estándar internacional completo. El resultado final son dos estándares (idénticos), donde: En MPEG se constituye la parte 10 de MPEG-4 (el título oficial del nuevo estándar dentro de MPEG es MPEG-4 Advanced Video Coding o AVC). En ITU-T su denominación oficial es H.264. Coloquialmente este estándar es conocido comúnmente por su nombre original, H.26L, o por el nombre del grupo que lo está desarrollando (JVT). Siguiendo los pasos formales de desarrollo de estándares dentro de ISO, JVT alcanzó el estado de FCD (Final Committee Draft) en diciembre de 2002, y el estado FDIS (Final Draft International Standard), paso inmediatamente anterior a su publicación oficial como estándar internacional, en marzo de 2003 [7]. Su especificación técnica es, por tanto, ya definitiva. Los objetivos técnicos que el JVT se marcó para el estándar se pueden resumir en dos: 1. Mejoras significativas en la eficiencia de la codificación, buscando una reducción media de la tasa binaria (para la misma calidad) sobre anteriores estándares, del 50 por ciento. 2. Robustez frente a errores y adaptación eficiente a la 39

39 transmisión, ya sea transportado sobre capa de sistemas MPEG-2 o sobre protocolos IP (como RTP). Arquitectura de JVT De manera análoga a los demás estándares, JVT no define explícitamente un codificador, sino que especifica la sintaxis de la trama de vídeo codificado junto con el método para descodificar esa trama. En la práctica esto se traduce en que hay un margen de variación considerable a la hora de implementar el codificador. El diseño de JVT cubre tanto la capa de vídeo (Video Coding Layer o VCL), que de forma eficiente representa el contenido de vídeo, como la capa de red (Network Abstraction Layer o NAL), que empaqueta y adapta la VCL para su transmisión por capas de transporte concretas o para su uso en medios de almacenamiento. Dentro de MPEG-4. la especificación JVT es diferente a los codificadores de vídeo MPEG-4 ya incluidos en versiones anteriores, por lo que no existe compatibilidad con ellos. Además, ha sido necesario modificar la estructura del formato de fichero MPEG-4 para soportarlo (la capa de los sistemas de MPEG-2 también está siendo modificada para poder incluir tramas JVT). En su concepción fundamental, JVT sigue estando basado en el modelo de codificador híbrido, y como tal comparte una serie de elementos comunes con otros estándares de codificación de vídeo, como son: La estimación de movimiento por bloques. El tamaño principal del macrobloque (unidad de estimación de movimiento) es 16x16 puntos, como en los estándares anteriores. El uso del espacio de los colores Y Cb Cr(luminancia/crominancia), con esquema de muestreo 4:2:0. Es decir, la información de color está representada con la mitad de resolución, tanto en vertical como en horizontal, que la información de luminancia (grises). La utilización de la transformada de bloque sobre los residuos de predicción, y cuantificación escalar. El empleo de los tipos de cuadro I (intra), P (predicción sobre un cuadro de referencia) y B (predicción sobre dos referencias, anterior y posterior), al igual que en anteriores estándares MPEG. El soporte para codificación de vídeo progresivo y entrelazado. La capa de abstracción de red La NAL (Network Abstraction Layer), capa de abstracción de red, ha sido definida con el fin de adecuar los datos y proporcionar la información de cabecera de una forma apropiada para su transporte por capas de transporte o medios de almacenamiento. Todos los datos están contenidos en unidades NAL, las cuales contienen un número entero de bytes. Una unidad NAL especifica un formato genérico para ser usado tanto en sistemas orientados a paquetes como en sistemas de cadenas de bits. La capa de codificación de vídeo Tal como se ha comentado anteriormente, la VCL (Video Coding Layer), capa de codificación de vídeo, es similar en esencia a la de los estándares anteriores de vídeo como MPEG-2, al estar basada en un codificador híbrido. En la Figura 3 se muestra un esquema de un codificador de vídeo JVT. Las principales diferencias con los estándares anteriores son: En el bloque de estimación de movimiento se utiliza, además del método tradicional de predicción respecto de un cuadro de referencia (intercuadro), un esquema alternativo que utiliza predicción dentro del mismo cuadro, es decir, se buscan bloques parecidos en el mismo cuadro que se está codificando (estimación intracuadro). Se permiten vectores de movimiento apuntando fuera de la imagen (unrestricted motion vectors), obteniéndose por extrapolación la zona correspondiente de referencia. La precisión en la estimación de movimiento puede llegar a 1/8 de punto (anteriormente era de 1/2 en MPEG-2 y H.263, y hasta de 1/4 de punto en MPEG-4). Adicionalmente a la estimación en macrobloques completos (16x16), existe la posibilidad de descomponer en bloques más pequeños (16x8 y 8x16 40

40 Módulo 1 Estimación/compensación intracuadro Estimación intercuadro + Regulación Módulo 2 Módulo 3 Transformada Q VLC buffer multiplex Memoria de cuadros -1 Q Filtro de eliminación de bloques Módulo de decisiones + Módulo 4 Transformada -1 Figura 3. Esquema de funcionamiento de un codificador JVT para inter, y 4x4 para intra). Se generaliza la predicción para poder usar múltiples cuadros de referencia. En estimación bidireccional esto significa que se tienen dos conjuntos de cuadros de referencia (anterior y posterior); la predicción obtenida de ambos puede combinarse con un peso variable. La transformada usada no es la DCT, sino una transformada entera (más simple), que opera con bloques de 4x4 (existen variantes en casos especiales). En su desarrollo se ha tenido especial cuidado en facilitar implementaciones eficientes. Existe además una posibilidad adicional, denominada Adaptive Block size Transform (ABT), que permite adaptar el tamaño de la transformada a los formatos de bloque usados en la predicción. La codificación estadística en JVT admite dos variantes: a). Los códigos UVLC (Universal Variable Length Coding), que pueden ser usados para codificar todos los elementos de la trama. b). La codificación aritmética, usando un sistema denominado CABAC (Context-Adaptive Binary Arithmetic Coding), más eficiente que UVLC pero también más exigente en cuanto a capacidad de proceso. El lazo de descodificación incorpora un filtro de eliminación de bloques, que ayuda a reducir este tipo de distorsión en la referencia que se va a usar para la predicción. El efecto de bloques es la pérdida de calidad más común en los codificadores híbridos; y está motivado por el hecho de tratar la imagen en bloques separados, lo que visualmente se traduce en que se aprecian los contornos de los bloques usados. Perfiles y niveles Al igual que en estándares anteriores, los perfiles y niveles especifican los puntos de conformidad designados para facilitar la interoperabilidad entre futuros sistemas compatibles con H.262/AVC. Todos los descodificadores conformes a un perfil específico tienen que soportar todas las características de ese perfil. En H.264/AVC se han definido hasta la fecha tres perfiles (la especificación de perfiles todavía no está cerrada): 1. Baseline, que es adecuado para la mayoría de las aplicaciones. Soporta las características más comunes de JVT, excepto algunas como la predicción B (bidireccional), CABAC y ABT. 2. Main, que amplía las características del perfil Baseline incorporando algoritmos adicionales. 3. Extended, que está dirigido a incrementar las prestaciones en aplicaciones de streaming. 41

41 En H.264/AVC, el mismo conjunto de definición de niveles es usado con todos los perfiles, aunque su especificación puede variar de un perfil a otro. Hasta la fecha se han definido un total de 14 niveles (agrupados en 5 niveles principales y niveles adicionales intermedios), que especifican límites superiores para parámetros tales como el tamaño de imagen (en macrobloques), la tasa de procesamiento exigida al descodificador (en macrobloques por segundo), el tamaño de los conjuntos de cuadros de referencia para predicción, la velocidad binaria de vídeo o el tamaño máximo del buffer de vídeo. Prestaciones El plan de verificación para H.264/AVC incluye pruebas subjetivas que van a ser desarrolladas durante el año 2003; se espera conocer los resultados hacia finales de año. De momento, los resultados publicados [8][9] han realizado comparaciones numéricas, basadas en parámetros de relación señal/ruido, con el fin de demostrar el rendimiento de la codificación de H.264/AVC cuando se compara con estándares de codificación anteriores (MPEG-2, H.263 y MPEG- 4). Las pruebas se efectúan sobre un conjunto de secuencias a diferentes resoluciones (aunque generalmente sólo hasta la resolución CIF), y con diferentes grados de movimiento y detalle espacial de información. Como ejemplo de prestaciones, en la Figura 4 [8] se muestran las curvas de distorsión de los cuatro codificadores mencionados, para una secuencia de vídeo concreta (Tempete) en resolución CIF (352x288). Para H.263 se ha usado el perfil HLP (High Latency Profile), que proporciona mayor calidad a costa de aumentar el retardo, y para MPEG-4 se ha usado el perfil ASP. Aplicaciones La mejora en factor de compresión que ofrece JVT va a permitir abrir nuevas áreas de aplicación y nuevas oportunidades de negocio. Telefónica I+D está desarrollando prototipos de aplicaciones y servicios multimedia basados en JVT, con el fin de realizar pruebas para el posterior despliegue de dichos servicios. Algunas de las posibilidades de aplicación de estos prototipos son: La transmisión de señales de vídeo mediante conexiones xdsl o por satélite requerirá mucho menor ancho de banda usando JVT (por ejemplo, se habla de triplicar el número de canales emitidos por saté- Fuente: Heiko Schwarz y Thomas Wiegand: The Emerging JVT/H.26L Video Coding Standard. IBC 2002, Amsterdam, septiembre de Figura 4. Comparación de calidad entre algoritmos de codificación 42

42 lite usando el mismo ancho de banda actualmente empleado para MPEG-2). Con los parámetros de modulación y codificación mas utilizados actualmente para la televisión digital terrestre (DVB-T) se obtienen cuatro programas por canal. Utilizando JVT se podría llegar a diez o más, debido no sólo a la eficiencia en la codificación sino también a que la ganancia obtenida en la multiplexación estadística es mayor, por el mayor número de programas transmitidos. Se podría realizar la transmisión y almacenamiento de contenidos de muy alta calidad; por ejemplo, se podría emplear tecnología DVD convencional para almacenar vídeo en alta definición. Finalmente, en el campo de las telecomunicaciones móviles, la mayor eficiencia de la compresión a bajas velocidades permitirá realizar streaming de vídeo de mucha mayor calidad en las redes móviles 3G. CONCLUSIONES H.264/AVC representa un paso adelante muy importante en el desarrollo de estándares de codificación de vídeo. En general mejora a todos los estándares existentes, especialmente MPEG-2. Esto posibilita el desarrollo de nuevas aplicaciones y oportunidades de negocio. Es de destacar que, aunque JVT es un estándar más complejo y computacionalmente más costoso que anteriores soluciones, se prevé que la optimización de las implementaciones así como los avances en hardware permitan ofrecer soluciones competitivas en un corto espacio de tiempo (probablemente mucho menor que el que necesitó MPEG-2). Otro importante hecho es que H.264/AVC es un estándar público y abierto. Cualquier fabricante puede construir codificadores y descodificadores en un mercado competitivo. No hay dependencia sobre formatos propietarios, lo cual es un factor de importancia capital para los proveedores de servicios. 43

43 Glosario de Acrónimos ABT ASP AVC CABAC CIF DCT DVB-T HLP ITU Adaptive Block size Transform (MPEG-4) Advanced Simple Profile Advanced Video Coding Context-Adaptive Binary Arithmetic Coding Common Intermediate Format Discrete Cosine Transform Digital Video Broadcast -Terrestrial (H.263++) High Latency Profile International Telecommunication Union ITU-T JTC JVT MPEG NAL PSNR VCEG VCL xdsl ITU-Telecommunication Standardization Sector (ISO/IEC) Joint Technical Committee (MPEG/VCEG) Joint Video Team (ISO/IEC) Moving Picture Experts Group Network Abstraction Layer Peak Signal-to-Noise Ratio (ITU-T) Video Coding Experts Group Video Coding Layer Digital Subscriber Line (diferentes variaciones) Referencias 1. ITU-R: Methodology for the subjective assessment of the quality of television pictures. Recommendation BT , junio de ITU-T: Video Codec for Audiovisual Services at px64 kbit/s. ITU-T Recommendation H.261, versión 1, noviembre de 1990, y versión 2, marzo de ISO/IEC JTC1/WG11 (MPEG): Information technology - Coding of moving pictures and associated audio for digital storage media at up to about 1,5 Mbit/s - Part 2: Video. ISO/IEC (MPEG-1), ISO/IEC JTC1/WG11 (MPEG): Generic coding of moving pictures and associated audio information Part 2: Video, ISO/IEC (MPEG-2), noviembre de ITU-T: Video coding for low bitrate communication. ITU-T Recommendation H.263, versión 1, noviembre de 1995, y versión 2, enero de ISO/IEC JTC1/WG11 (MPEG): Coding of audio-visual objects - Part 2: Visual. ISO/IEC (MPEG-4 Visual, versión 1), abril 1999, y Amendment 1 (versión 2), febrero JVT: Study of Final Committee Draft of Joint Video Specification (ITU-T Rec. H.264 ISO/IEC AVC FDIS),Pattaya (Tailandia), marzo de Heiko Schwarz de Thomas Wiegand: The Emerging JVT/H.26L Video Coding Standard. IBC 2002, Amsterdam, septiembre de Joch, F. Kossentini y P. Nasiopoulos: A Performance Analysis of the ITU-T Draft H.26L Video Coding Standard. 12th International Packet Video Workshop (PV 2002), Pittsburgh, abril de

44 UWB: Una nueva interfaz radio para entornos domóticos y empresariales Jaime Lluch Ladrón de Guevara, Lorenzo Cámara Pérez, José Emilio Vila Aresté Telefónica Investigación y Desarrollo Las comunicaciones móviles avanzan hacia una mayor tasa de transmisión de datos y una mayor disponibilidad, especialmente en los entornos de tipo domótico y empresarial. Estos entornos presentan particularidades como son un espacio limitado y unos terminales muy diferentes entre sí, los cuales deberán soportar distintos tipos de servicios, siendo además su número variable con el tiempo así como su ubicación. Estos aspectos requerirán de una interfaz física de banda ancha y una estructura de red flexible y adaptativa, por lo que se están estudiando diversas alternativas para la interfaz radio, entre las que destaca la banda ultra-ancha (UWB). La tecnología UWB presenta características específicas que permiten definirla como una ruptura tecnológica respecto a los sistemas más tradicionales de comunicaciones inalámbricas. Sin embargo, hay que hacer notar que está pendiente que se resuelvan los aspectos regulatorios, entre los que destaca el que se refiere a la coexistencia con otros servicios. Por otra parte, las redes "ad hoc", en las que no existe un control centralizado y los propios nodos actúan como encaminadores de la información, ofrecen una elevada flexibilidad, muy útil en el entorno domótico y empresarial. Su algoritmo de encaminamiento podría utilizar las prestaciones de localización de alta resolución que proporciona la tecnología UWB. Este artículo revisa el estado actual de esta tecnología, todavía en fase de desarrollo y no disponible comercialmente, sus alternativas, ventajas e inconvenientes, y su grado de adaptación al entorno domótico y empresarial. INTRODUCCIÓN Actualmente se están considerando nuevas alternativas tecnológicas que permitan aumentar la capacidad y prestaciones de las redes de comunicaciones domóticas y empresariales. Una de ellas es la denominada banda ultra-ancha, conocida por su acrónimo en inglés UWB (Ultra Wide Band), que se viene utilizando desde los años sesenta con diversos nombres en aplicaciones militares. Se denomina UWB a cualquier técnica de modulación en la que el ancho de banda de la señal de radio es superior en al menos un 25 por ciento a la frecuencia de la portadora o cuando es superior a 1,5 GHz. En sus aplicaciones militares se utiliza un ancho de banda muy grande para camuflar la información en el fondo de ruido; la energía de la información se distribuye en una banda lo suficientemente ancha como para que su densidad espectral esté por debajo del fondo de ruido. De esta forma, una estación de escucha que no disponga de un receptor adecuado ni 45

45 siquiera podrá detectar si se está transmitiendo. En aplicaciones civiles, esta posibilidad de emitir por debajo del fondo de ruido se ha considerado atractiva para reutilizar espectro, ya que permite emitir con un bajo nivel de interferencia sobre servicios ya existentes. Como se comenta más adelante, la cuantificación del nivel de interferencia es uno de los aspectos regulatorios más importantes de UWB, que actualmente es objeto de debate en EEUU, a partir de la primera regulación de la FCC en febrero de Existe una cierta controversia acerca de la reutilización de un espectro ya asignado y que tiene un cierto valor económico, a lo que se añade el hecho de que no se ha demostrado aún de forma fehaciente la inexistencia de interferencias con otros servicios cuando el número de equipos de UWB es muy elevado en un mismo entorno. Son temas pendientes de estudio y de regulación. La interfaz UWB ofrece tasas de transmisión muy elevadas en aplicaciones de corta distancia y es especialmente robusta frente a los problemas asociados a la propagación multitrayecto. Estas características hacen que la interfaz radio UWB sea especialmente adecuada para entornos domóticos o empresariales. Por una parte, son reducidas sus dimensiones físicas y la distancia a la que van a estar los terminales, y por otra, en estos entornos se presentan fenómenos de multitrayecto que contribuyen a dificultar las comunicaciones por radio. UWB presenta otras ventajas adicionales, entre las que destaca la posibilidad de localizar con gran precisión la situación del terminal radiante. La precisión en la localización viene limitada, en última instancia, por el ancho de banda de la señal de radio. Con un ancho de banda de gigahercios se puede localizar al terminal que transmite con una precisión teórica de centímetros. Esta información se puede emplear para implementar técnicas novedosas de encaminamiento o nuevos servicios. Otra ventaja es la posible sencillez de los terminales de radio: al emplear anchos de banda tan grandes no es necesario realizar conversiones a frecuencias intermedias, eliminando buena parte de la circuitería de radiofrecuencia y haciendo posible la fabricación de cabezales de radio muy simples. Sin embargo exige una referencia de sincronización muy precisa, dado que los pulsos son muy estrechos (del orden de nanosegundos). Por otra parte, los entornos domóticos y empresariales presentan una serie de características, entre las que se pueden destacar las siguientes: el número de nodos es variable a lo largo del tiempo, es muy amplia la variedad de terminales que pueden estar presentes, deben proporcionar cobertura en zonas aisladas o extremas, etc. En definitiva, es conveniente que presenten un alto grado de flexibilidad. Las redes autoorganizativas o redes ad hoc, en las que se carece de una gestión centralizada y en las que los nodos pueden servir de encaminadores de la información, presentan una serie de ventajas en estos entornos, que se revisan en el presente artículo. A estas ventajas se añade su innata capacidad de reorganizarse en el caso de no ser operativa una parte de la infraestructura, lo cual aumenta la seguridad de mantener las comunicaciones. La flexibilidad que ofrecen las redes ad hoc es a costa de un complejo algoritmo de encaminamiento que gestiona la red. Este algoritmo es el aspecto más relevante y crítico de dichas redes y condiciona en gran parte sus prestaciones. Por otro lado, las redes ad hoc pueden disponer de interfaces radio diferentes de UWB, sin embargo una interfaz radio UWB permitiría mejorar el algoritmo de encaminamiento, al poder incluir información sobre la localización de los terminales. Este artículo comienza realizando una descripción de las técnicas UWB, sus mecanismos de modulación y detección, y las características de sus equipos transmisores y receptores, incluyendo una referencia a los aspectos regulatorios. A continuación se describen las técnicas autoorganizativas o ad hoc, que encuentran en esta modulación un campo de aplicación particularmente favorable. LA TECNOLOGÍA UWB Los sistemas de comunicaciones de banda ultraancha, más conocidos por sus siglas UWB, se basan en la comunicación entre distintos equipos a través de pulsos electromagnéticos de corta duración (típicamente inferior a 1 nanosegundo), que conllevan anchuras de banda del orden de gigahercios. De forma más precisa, los sistemas UWB se definen con arreglo al cumplimiento de una de las dos siguientes condiciones: 1. El ancho de banda de la señal transmitida es mayor 46

46 o igual a un 25 por ciento de la frecuencia central. 2. El ancho de banda de la señal transmitida es superior a 1,5 GHz. UNII 5,15-5,25 GHz ISM 2,4-2,4835 GHz UWB 3,1-10,6 GHz En estos momentos se está considerando la utilización de los sistemas de comunicaciones UWB para enlaces muy cortos y de gran capacidad (varios cientos de megabits por segundo). En principio, para estas capacidades se podrían utilizar anchos de banda más pequeños, ya que para un ancho de banda dado se puede aumentar la capacidad de un canal de transmisión sin más que aumentar adecuadamente la relación señal ruido (S/N), tal como indica la conocida fórmula de Shannon: C(Gbit/s) d(m) Figura 1. Comparativa sobre capacidad de transmisión (capacidad de canal) En la segunda expresión B es el ancho de banda y N 0 la densidad espectral de ruido. Sin embargo, aumentar la capacidad en un ancho de banda muy limitado conlleva emplear sistemas de modulación de gran número de niveles, que requieren una circuitería compleja que es incompatible con la sencillez que se espera en los equipos domóticos. En los sistemas UWB, en los que el ancho de banda es muy grande con relación a la velocidad de transmisión, se pueden emplear esquemas de modulación sencillos y baratos de implementar. Se ha efectuado una comparación a efectos de capacidad de transmisión para las tres bandas y niveles de potencia máximos que permite la regulación actual: 1. La banda ISM de 2,4 GHz, con 83,5 MHz disponibles y una potencia de transmisión máxima de 30 dbm. 2. La banda UNII de 5,2 GHz, con 100 MHz disponibles y 16 dbm. 3. La UWB, con 7,5 GHz disponibles y 2,5 dbm 1. Los resultados se muestran en la Figura 1, donde se aprecia como para rangos cortos, por debajo de los 15 1 La simulación se ha realizado considerando una figura de ruido del receptor de 6 db. Respecto a las pérdidas de propagación, hasta 8 m se considera propagación en espacio libre, y a partir de entonces se considera propagación con exponente de 3,3, tal y como queda recogido en las recomendaciones del IEEE respecto de las WPANs. metros, se obtiene una capacidad de transmisión teórica muy elevada mediante el empleo de señales de banda ultra-ancha. No obstante, también se aprecia como la capacidad se degrada muy rápidamente con la distancia. En conclusión, los sistemas UWB, desde el punto de vista de las comunicaciones, estarán especialmente indicados para aplicaciones de corta distancia en las que se requiera de tasas de transmisión elevadas, como pueden ser los entornos domóticos o empresariales. Historia de la tecnología UWB El origen de la tecnología UWB surge de los trabajos sobre electromagnetismo en el dominio del tiempo realizados en el año 1962, que tenían como objetivo describir con precisión el comportamiento dinámico de determinadas redes de microondas a partir de su respuesta al impulso, en lugar de hacerlo a partir de su respuesta en frecuencia. No es hasta esta época cuando, gracias al desarrollo del osciloscopio de muestreo (Hewlett Packard, 1962) y al desarrollo de técnicas de generación de pulsos de anchuras inferiores a 1 ns, cuando se consigue la observación y medida directa de respuestas al impulso [1] [2] [3]. A partir de las técnicas de medida de respuestas al impulso en el diseño de elementos radiantes de banda ancha, se hace patente la posibilidad de implementación de sistemas, tanto de comunicaciones como de radar, basados en la transmisión de pulsos de corta duración. En 1973, Sperry obtiene la primera patente relacionada con las comunicaciones UWB [4]. 47

47 Durante los años ochenta continúa el desarrollo de esta tecnología 2, destacando un sistema militar de comunicaciones de baja probabilidad de interceptación y detección (LPI/D) realizado por parte de los doctores Gerald F. Ross y Robert Fontana, que llegó a ser operativo en Hasta 1994 gran parte del desarrollo de las tecnologías de UWB se hace en Estados Unidos bajo programas clasificados y con índole claramente militar. No obstante, la desclasificación de parte de esos trabajos en ese mismo año permite y favorece el comienzo del desarrollo de esta tecnología en aplicaciones de comunicaciones de índole civil. Descripción de la tecnología UWB Los sistemas de UWB, también conocidos como sistemas sin portadora (carrierless), están basados en la transmisión de pulsos de muy corta duración, o lo que es lo mismo, distribuidos en un ancho de banda muy grande. De lo anterior se deduce que una de las principales ventajas de estos sistemas es la dispersión de la energía de la señal transmitida en un ancho de banda muy grande, quedando incluso por debajo del nivel de ruido. Esto supone una ventaja comparativa frente a otros sistemas, tanto en el ámbito militar, por la indetectabilidad de la señal, como en el ámbito civil, pues podría coexistir con otros sistemas de banda estrecha, ocupando sus mismas banda de frecuencia. Respecto del pulso básico empleado, puede tomar distintas morfologías, asociadas a distintas ecuaciones que lo definen, siendo probablemente el más empleado el monociclo gaussiano. Este monociclo es una señal de banda ancha, cuya frecuencia central y anchura espectral dependen únicamente de la anchura del monociclo. Matemáticamente, se define el monociclo gaussiano, en el dominio del tiempo, como la primera derivada de la función gaussiana, adoptando la siguiente expresión: Donde τ es una constante de tiempo que determina la anchura del monociclo. En el dominio de la frecuencia, el espectro del monociclo gaussiano adopta la siguiente expresión: La forma del monociclo gaussiano en el dominio del tiempo y su respuesta en frecuencia se pueden apreciar en la Figura 2. La frecuencia central del monociclo gaussiano se obtiene de manera inmediata a partir de la expresión en el dominio de la frecuencia, de manera que: La señal de UWB será entonces un tren de pulsos, tal y como se refleja en la siguiente expresión: Siendo p(t) el pulso básico empleado. La información a transmitir puede ir asociada a distintas características de la señal (amplitud, fase, posición de pulsos, etc.). Más adelante se analizan los distintos tipos de modulaciones empleadas en los sistemas UWB. 2 Entonces denominada comunicaciones de banda base (baseband), sin Respecto del ancho de banda, se obtiene que el espectro ocupado por el monociclo es aproximadamente igual a: Densidad espectral de potencia de la señal UWB Haciendo abstracción de la forma concreta del pulso a transmitir, la señal UWB se expresa matemáticamente de la siguiente forma: portadora (carrier-free) o de impulsos (impulse). El término "banda ultra-ancha" (ultra-wideband, UWB) no es empleado hasta 1989 por el Departamento de Defensa de EEUU. 48

48 x(t) 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0-0,1-0,2-0,3-0, ,5 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1, t(seg.) x 10-9 f(hz) x 10 9 a. Representación en el dominio del tiempo b. Respuesta en frecuencia Figura 2. Monociclo "gaussiano" En esta expresión T representa la separación entre pulsos. La densidad espectral de esta señal, Φ ss (ƒ), viene dada como la transformada de Fourier de la señal de autocorrelación. Asumiendo que los pesos de los pulsos dependen de los bits de datos a transmitir, y que los mismos son aleatorios, se puede expresar la densidad espectral de potencia de la señal UWB como: Donde: σ a 2 y µ a 2 son la media y la varianza de las secuencias de datos, a n, respectivamente. P(f) es la transformada de Fourier del pulso básico p(t). δ(t) es el impulso unitario. La ecuación anterior se compone de dos términos diferenciados: Un primer término:. Este término supone una forma espectral continua, dependiente únicamente del espectro básico del pulso de transmisión 3. 3 Para la descripción en curso de la forma que adopta el espectro de la señal UWB, se obvia que el escalado dependa de la separación entre pulsos y de la varianza de los datos, pues ambas son constantes con la frecuencia. Un segundo término:. Está compuesto por un conjunto de picos espectrales (a través de la función δ(t) ), cuya separación es inversamente proporcional a la separación temporal de los pulsos transmitidos (T). A modo de ejemplo, se pueden poner dos casos o situaciones, en los que se destaca la existencia de ambos términos en la densidad espectral de potencia de la señal UWB: 1. Caso de transmisión de pulsos UWB con PRF constante En este caso 4 se utiliza un conjunto de pulsos, separados entre ellos por un periodo To. En la Figura 3 se aprecia la señal generada, habiéndose 4 PRF (Pulse Repetition Frequency) es la frecuencia de repetición de pulsos. x(t) 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0-0,1-0,2-0,3-0,4-0,5 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 t(seg.) x 10 7 Figura 3. Secuencia de monociclos "gaussianos" con PRF constante 49

49 empleado en la simulación veinte pulsos gaussianos, con τ = , y una separación entre pulsos de 10 ns. El espectro de la señal está compuesto por dos componentes: una componente espectral continua relacionada con el espectro del pulso básico de transmisión (en este caso monociclo gaussiano) y otra formada por una serie de picos espectrales dependientes de la separación entre pulsos, o, si se prefiere, de la PRF. En efecto, tal como se aprecia en la Figura 4, el espectro de la señal tiene las características de la descripción presentada. Figura 4. Espectro de señal UWB con PRF constante 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 x(t) 0-0,1-0,2-0,3-0,4-0,5 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 t(seg.) x 10-6 Figura 5. Secuencia de monociclos "gaussianos" con PRF no constante 2. Caso de transmisión de señales UWB con PRF no constante En este caso se utilizan los mismos pulsos gaussianos del caso anterior, con la salvedad de que la separación entre los mismos ya no será constante, sino que vendrá modelada como una variable aleatoria uniforme, entre 10 y 100 ns. En la Figura 5 se indica la secuencia de pulsos generada. El espectro asociado a esta señal de nuevo vendrá dado por dos componentes: la relativa al espectro del pulso básico y la relativa a los picos espectrales dependientes de la PRF. No obstante, en la Figura 6 se puede apreciar cómo se ha minimizado parcialmente la segunda componente; esto es, la energía está distribuida más homogéneamente en el espectro, sin la aparición de las rayas espectrales. El motivo es debido a que la aleatorización de los periodos entre pulsos aleatoriza, asimismo, la separación entre las rayas espectrales (ver la ecuación de la densidad espectral de potencia de la señal UWB, Φ ss (ƒ), mostrada anteriormente), con lo que la energía se distribuye de forma más homogénea en el espectro, no estando concentrada en las rayas espectrales mencionadas. Como es lógico, lo que se desea es una distribución uniforme de la señal en todo el espectro de frecuencias que se va a ocupar. Por ello, el segundo término habrá de minimizarse todo lo posible, de modo que desaparezcan los picos espectrales. En definitiva, es necesario aplicar algún tipo de aleatorización sobre la señal UWB a transmitir. En este caso se ha aplicado sobre la separación entre pulsos, no obstante, son posibles otros procesos de aleatorización o blanqueo, dependiendo de la modulación empleada. Figura 6. Espectro de señal UWB con PRF no constante 50

50 0,5 x(t) 0-0,5 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 t(seg.) x 10-7 a. Representación en el dominio del tiempo b. Respuesta en frecuencia Figura 7. Señal PPM-UWB TÉCNICAS DE MODULACIÓN UWB Una vez realizada la introducción a la tecnología UWB, se pueden describir las distintas técnicas de modulación asociadas a la transmisión de señales UWB. Éstas son las siguientes: 1. PPM-UWB (Pulse Position Modulation UWB) La técnica PPM-UWB, o modulación por posición de pulso, se basa en que la información sobre la señal transmitida se encuentra recogida en las posiciones relativas de unos pulsos respecto de otros. La señal PPM-UWB adopta la siguiente expresión: En esta ecuación: a i es la información binaria a transmitir, codificada según {-1,+1}. T es la separación de referencia entre pulsos. β es el porcentaje de adelanto/atraso del pulso respecto de la posición de referencia, respecto de T. Con todo esto, la señal PPM-UWB estará formada por un tren de pulsos cuya separación entre los mismos será T±βT. Una vez adquirida la correcta sincronización, la recepción de la señal se basará en la medida de tiempos entre pulsos consecutivos y la comparación de la misma con la separación de referencia T. Respecto de la densidad espectral de potencia, si bien no se tiene una separación fija entre pulsos, sí que es aproximadamente constante, ya que por lo general β << 1, con lo que se tiene el problema anteriormente comentado de aparición de líneas espectrales definidas, tal y como se muestra en la Figura 7 5. Por ello, con objeto de reducir las mencionadas líneas espectrales, se introducen unas secuencias de aleatorización de posición. Este proceso consiste en un desplazamiento pseudoaleatorio a través de una secuencia conocida de la separación de referencia, de modo que se aleatorice la separación entre pulsos y, por tanto, se evite la aparición de máximos espectrales. Como es obvio, la inclusión de este proceso se refleja en un aumento de la complejidad del sistema UWB. 2. DSC-UWB (Direct Sequence Phased Coded UWB) La técnica DSC-UWB se basa en la transmisión de pulsos previamente codificados según una secuencia de chip, al estilo de los sistemas CDMA clásicos. En esta técnica, los datos, de menor velocidad, como es obvio en la secuencia de chip, modulan a la misma, teniéndose así una secuencia ensanchada en el espectro. Será precisamente esta secuencia, de valores {-1, +1}, la que sirva como entrada al generador de pulsos, que generará pulsos (monociclos gaussianos por lo general) a la misma velocidad que la secuencia de chip, en fase o en contrafase, según se tenga un dato de nivel alto (+1) o de nivel bajo (-1). En la Figura 8 se presenta un esquema de los datos presentes en la generación de señales DSC-UWB. En la primera gráfica de la figura (gráfica a) se tiene la secuencia de pulsos generada, que será posteriormente modulada por la secuencia de datos ensanchada. En la segunda (b) se tienen los datos binarios a transmitir. En la tercera (c) se presenta la 5 En la Figura 7 se ha empleado una beta igual a 0,3 a efectos ilustrativos. Como se indica el valor de beta será, en general, bastante inferior. 51

51 que la información va asociada a la amplitud de los pulsos. La expresión matemática de una señal M- PAM-UWB es la siguiente: En esta expresión a i toma valores dependiendo del orden de la modulación, M. Figura 8. Señal DSC-UWB secuencia pseudoaleatoria de ensanchamiento, que distribuirá de una forma pseudoaleatoria los pulsos en transmisión, evitando densidades espectrales de potencia elevadas para determinados puntos (líneas espectrales) 6. La cuarta (d) corresponde a la secuencia ensanchada, producto de la señal de datos y de la secuencia de ensanchamiento. Finalmente, la quinta gráfica (e) corresponde a la señal de pulsos transmitida, que no es sino el tren de pulsos original, modulado en fase por la secuencia ensanchada. 3. PAM-UWB (Pulse Amplitude Modulation UWB) La técnica PAM-UWB está basada en la transmisión de pulsos de distintas amplitudes, de forma 6 En este caso se ha tomado un factor de ensanchamiento de cuatro por motivos ilustrativos. Obviamente los sistemas reales emplean factores de ensanchamiento mayores. En la Figura 9 se presenta una señal 4-PAM-UWB, así como su densidad espectral de potencia. Se aprecia cómo simplemente la modulación PAM- UWB no es suficiente para eliminar, o al menos reducir todo lo posible, los picos espectrales originados como resultado de la repetición periódica de pulsos. Por ello, habitualmente se combina con un blanqueador o aleatorizador, al estilo del empleado en las modulaciones PPM-UWB. Por lo general, el ciclo de trabajo empleado en las modulaciones de tipo PAM-UWB es bajo, de modo que la separación entre pulsos es mucho mayor que la anchura de los mismos. La determinación del valor óptimo de M no es sencilla. En efecto, algunos resultados muestran que las modulaciones M-PAM-UWB de órdenes altos no mejoran la tasa de transferencia tanto como el empleo de modulaciones con M=2, reduciendo la PRF, según la situación. Este hecho es fácilmente comprensible comparando dos canales distintos, ya que en un canal de tipo AWGN (Additive White Gaussian Noise) es razonable esperar que los sistemas M-PAM-UWB de orden bajo se comporten mejor que los de orden alto, pues la PRF se puede reducir. No obstante, si se consideran canales con multitrayecto, la PRF ya no podrá ser reducida todo lo que se quiera, pues se tendrá interferencia entre símbolos, debida a la selectividad en frecuen- 2 1 x(t) ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 t(seg.) x 10-7 a. Representación en el dominio del tiempo b. Densidad espectral de potencia Figura 9. Señal 4-PAM-UWB 52

52 cia del canal multitrayecto, con lo que en esta segunda situación es de esperar que las modulaciones de tipo M-PAM-UWB de orden alto y PRFs más bajas se comporten de mejor manera que las de orden bajo. ARQUITECTURAS DE TRANSMISIÓN Y RECEPCIÓN UWB La simplicidad inherente a los sistemas UWB conlleva una serie de ventajas respecto de los diseños relativos a los transceptores de radio clásicos. En efecto, tal como se describe a continuación, en los equipos UWB no serán necesarios elementos tan críticos, y por tanto costosos, como los relojes de referencia, PLLs (Phase-Looked Loops), VCOs (Voltage Controlled Oscillators), mezcladores o amplificadores de potencia. No obstante, también existe una seria desventaja, inherente al gran ancho de banda del receptor, que provoca que sean sistemas susceptibles de ser interferidos por sistemas de banda estrecha operando en las mismas bandas. Asimismo, el diseño de antenas de anchos de banda tan amplios supone un reto tecnológico, y probablemente en la actualidad es el cuello de botella en el desarrollo de los sistemas UWB. El transmisor UWB En la Figura 10 se muestran dos diagramas de bloques correspondientes a sendos transmisores UWB, el primero concerniente a PPM-UWB y el segundo a DSC-UWB. Como puede apreciarse en la figura, el bloque central del transmisor es el generador de pulsos. Este bloque, tomando como entradas el reloj del equipo y los datos a transmitir, generará una secuencia de pulsos conforme a los mismos. La gran diferencia existente entre ambos transmisores es la referente al procesado que se efectúa sobre los datos de entrada, para generar la señal que alimenta al generador de pulsos. En el caso del transmisor PPM-UWB, el preprocesado consiste en la generación de una señal que varía los retardos entre pulsos, como función de la señal de datos, mientras que en el caso del DSC-UWB, tal como se ha descrito en el apartado anterior, se expande la señal de datos con una secuencia pseudoaleatoria de chip, generándose una señal bipolar extendida, que es la que sirve como entrada al generador de pulsos. Respecto de la tecnología empleada, por lo general el preprocesado se efectúa en dispositivos digitales de tipo DSP, FPGA, etc., mientras que la generación de pulsos de corta duración se hace a partir de dispositivos de tipo semiconductor, como, por ejemplo, diodos o transistores de recuperación rápida (SRDs, Step Recovery Diodes, y SRTs, Step Recovery Transistors). Un hecho importante a tener en cuenta, respecto de las arquitecturas clásicas, es la ausencia de amplificador de potencia, ya que no es necesario debido a que el generador de pulsos produce señales pulsadas con Generador de pulsos Retardo programable Generación de Código Generador de pulsos Generación. Secuencia de ensanchamiento Ensanchamiento Modulación Oscilador Reloj Entrada de datos Oscilador Reloj Entrada de datos Transmisor PPM-UWB Transmisor DSC-UWB Figura 10. Esquema básico de un transmisor UWB 53

53 expresa de la siguiente forma: Correlador Multiplicador Integrador S/H Donde x RX (t) es la señal recibida y x REF (t - τ) la muestra de señal disponible en el receptor. Retardo programable Oscilador Reloj Procesador de señal en banda base Generación de código Receptor TM-UWB Figura 11. Esquema básico de un receptor UWB Salida de datos excursiones de tensión del orden de 100 mv. Este hecho simplifica enormemente el diseño del transmisor, pues se prescinde de uno de los elementos más complicados, y probablemente más caros, de los transmisores clásicos. Asimismo, tampoco se dispone de filtro paso-banda en transmisión 7. Esto es debido a que es la propia antena la que efectúa el filtrado. Como se puede apreciar, el proceso consiste en ir multiplicando la ventana temporal de la señal recibida, de duración igual a la correspondiente a la de la muestra disponible (L), por la propia muestra, e ir deslizando de manera continua la ventana. El resultado de la correlación será una función dependiente del desplazamiento de la ventana (τ). Los máximos de esta función se tendrán para aquellos desplazamientos que alineen los pulsos recibidos con el pulso de muestra disponible en el receptor, con lo que es suficiente un esquema simple de búsqueda de máximos y de comparación con un umbral para determinar la posición de los pulsos, y, por tanto, también es suficiente para poder descodificar la información presente en la señal recibida. En la Figura 12 se presenta la señal recibida, así como la señal resultante de la correlación. Se puede apreciar cómo los máximos de la señal de correlación corresponden con los instantes de llegada del pulso 8. De este modo, es inmediato el determinar la información contenida en ellos. El receptor UWB Al igual que ocurría con el transmisor, el receptor UWB es más sencillo que los receptores tradicionales de banda estrecha. En los receptores UWB no es necesaria una etapa de frecuencia intermedia (receptores homodinos), así como una sincronización a la frecuencia de portadora. En la Figura 11 se presenta el diagrama de bloques básico de un receptor UWB. La técnica óptima de recepción de las señales UWB es realizada a través de una correlación en recepción (o bien a través de un filtro adaptado). Un correlador multiplica la señal recibida por una muestra de la señal e integra la salida, ofreciendo de este modo un valor que depende de las posiciones relativas entre el pulso recibido y la muestra. Matemáticamente se 7 Aunque sí será necesario insertar un filtro paso-alto para eliminar cualquier radiación indeseada en las bandas de UMTS. Las antenas UWB Uno de los principales retos tecnológicos a los que se enfrentan los sistemas UWB es el diseño de la antena, tanto transmisora como receptora. Dicha antena ha de cubrir anchos de banda muy elevados, para acomodar en su totalidad la señal UWB. En efecto, la propia antena será habitualmente la que se emplee como filtro para las señales UWB. Existen en la actualidad una gran variedad de antenas de banda ancha, candidatas a ser empleadas en sistemas UWB. No obstante, todas tienden a ser dispersivas y poco apropiadas para pulsos estrechos. Las diferentes componentes en frecuencia se radian desde 8 En realidad presentan cierto retardo por la duración de la ventana de la señal de muestra. No obstante, la información requerida, una vez adquirido el sincronismo, es la posición relativa de los pulsos, no la absoluta. 54

54 ,, a. Señal UWB recibida b. Señal resultado de la correlación Figura 12. Señal resultante de la correlación en recepción diferentes partes de la antena, lo cual distorsiona y expande el pulso radiado. Al problema inherente de las antenas UWB, que han de presentar poco rizado y retardo de grupo constante en toda la banda, se une la necesidad de unas reducidas dimensiones y un coste bajo, de modo que se puedan integrar en los dispositivos móviles de bajo coste. A modo de ejemplo, se presenta una de las pocas antenas comerciales disponibles en la actualidad de UWB. Concretamente, se trata del modelo SMT-3TO6-M de SkyCross, que cubre la banda entre 3 y 6 GHz. En la Figura 13 se presenta su morfología física y en la Figura 14 sus principales características. Figura 13. Antena SMT-3TO6-M de SkyCross PROPAGACIÓN DE SEÑALES UWB Como se ha descrito, una de las principales ventajas de los sistemas UWB es su gran protección frente a los fenómenos de propagación multitrayecto. Respuesta al impulso S11 (db) Amplitud Pérdidas típicas de retorno Frecuencia (GHz) Ganancia a 3,1 GHz, ϕ=0 Ganancia a 4 GHz, ϕ=0 Tiempo (100 ps/dimensión) Ganancia a 5 GHz, ϕ=0 Ganancia a 5,9 GHz, ϕ=0 Figura 14. Diagramas de radiación de la antena SMT-3TO6-M de SkyCross 55

55 , A grandes rasgos, se entiende como propagación multitrayecto al hecho de que a la antena receptora de un sistema de comunicaciones llegue la señal transmitida no sólo por un único camino (directo o a través de reflexiones y difracciones en distintos puntos como paredes, mobiliario, etc.), sino que se tengan en recepción un conjunto de muestras de dicha señal transmitida en distintos instantes temporales. El hecho de que se tengan en recepción muestras retardadas de la señal, en principio según tiempos y amplitudes modeladas a partir de distintas distribuciones propuestas, supone, como es bien conocido, una cierta selectividad en frecuencia. Matemáticamente, la respuesta al impulso del canal multitrayecto puede definirse como: En esta expresión, α i representa las amplitudes asociadas a las distintas muestras de señal y T i los retardos de cada una de las muestras respecto de la inicial. A través de la transformada de Fourier se puede determinar de manera inmediata la respuesta en frecuencia del canal, que se expresa de la siguiente forma: Trms actual = 25,312 ns Se aprecia en esta expresión como la respuesta en frecuencia del canal está compuesta por una serie de exponenciales complejas, dependientes de los parámetros de retardo temporal de las muestras de la señal. Esta suma de exponenciales complejas provocará un rizado en la respuesta de frecuencia del canal, provocando la aparición tanto de máximos (en los que las componentes de la señal en el receptor se sumen en fase), como de mínimos (en los que las señales en el receptor se contrarresten). Este fenómeno será precisamente el que limite la transmisión vía radio de las señales de banda ancha, por la distorsión que el canal introduce sobre las mismas, que en el dominio temporal se interpreta a modo de interferencia entre símbolos. En el caso de señales UWB, la situación es ligeramente distinta. Al estar la energía distribuida en una banda de frecuencia tan grande, intuitivamente se puede pensar que será menor el efecto de estos vanos espectrales producidos por efecto del multitrayecto, pues afecta únicamente a una pequeña parte de la energía de la señal. No obstante, para establecer las ventajas que presentan los sistemas UWB en términos de protección frente al multitrayecto, se realiza el análisis en el dominio del tiempo. En entornos de interiores, los retardos mínimos de las señales resultado del multitrayecto están en torno a los pocos nanosegundos, en todo caso son mayores que la anchura de los pulsos empleados. En la Figura 15 se muestra un ejemplo de un canal de interiores multitrayecto [6]. Debido a que la separación entre las muestras es superior a la anchura de los pulsos, las muestras de la señal resultado del multitrayecto no interfieren con la señal resultado del camino principal, con lo que se pueden separar fácilmente en el receptor. En la Figura 16 se muestra de forma ilustrativa este hecho. SINCRONISMO EN LAS REDES UWB Amplitud,,,,,,, Retardo de trayecto (ns) Figura 15. Ejemplo de canal multitrayecto de interiores La distribución del sincronismo es un aspecto técnico fundamental en las redes de comunicaciones. En el caso de las redes UWB se trata de un aspecto de particular importancia, dado que la transmisión de pulsos tan estrechos, del orden de nanosegundos, hace necesario el disponer de una referencia de sincronización muy precisa. Un fallo en la sincronización podría suponer que se desplazase la ventana temporal en la que el receptor "escucha" el canal, perdiendo por tanto la información transmitida. En este aspecto, la unión entre la tecnología UWB y las redes autoorganizativas provoca una doble necesi- 56

56 Camino 1 Señal directa Camino 2 Camino 1 Señal directa Camino 2 Ventana de recepción Tiempo Figura 16. Efecto de la propagación multitrayecto en sistemas UWB dad de alta precisión en cuanto al sincronismo. A la precisión requerida en las tecnologías UWB, se añade la complejidad propia de las redes autoorganizativas, en las cuales la estructura es variante con el tiempo, lo cual puede alterar el mecanismo de distribución del sincronismo. Por lo general, la sincronización puede realizarse respecto a una referencia externa absoluta (relojes maestros de precisión basados, por ejemplo, en el sistema GPS) o utilizando como referencia el reloj generado por algún elemento particular de la red. Las fuentes de error principales en los sistemas de sincronización son [6]: El tiempo de envío. El tiempo de acceso al medio. El tiempo de propagación. El tiempo de recepción. Métodos de sincronización Existen dos métodos diferentes de sincronización: 1. El método de envío del valor del reloj Tradicionalmente, en los esquemas clásicos centralizados se envía el valor del reloj de manera periódica en un mensaje hasta los receptores, que la comparan con su reloj interno, modificándolo en caso de que exista variación. En estos esquemas, el periodo de latencia comprendido entre el envío del paquete que contiene el reloj y el momento en que se modifica el reloj del receptor es menor que la precisión que se requiere para el correcto funcionamiento de la red. El periodo de latencia puede reducirse utilizando un paquete de respuesta del receptor o mediante la comparación en el receptor de dos paquetes enviados por el servidor de reloj. 2. El método de difusión de una referencia de reloj En [7] se propone un esquema de difusión de reloj que se adapta a las necesidades que presentan las redes ad hoc multisalto. En este esquema se difunde una referencia de reloj desde un nodo a todos los nodos que están a su alcance, de manera que cada receptor modifica su reloj interno con esta referencia. En los modelos tradicionales de sincronización para los sistemas aislados, el emisor se sincroniza con el reloj del receptor. Sin embargo, en este esquema se propone lo contrario, sincronizar varios receptores con el reloj del emisor, por lo que dicho esquema tiene aplicación en la red ad hoc basada en cluster, ya que se sincronizan los relojes de los nodos que pertenecen al cluster con el reloj del nodo cabecera. También se necesita un canal de difusión que facilite la distribución de la referencia de sincronismo. Al generar una referencia que se difunde por el medio físico, directa y simultáneamente a todos los receptores, se evitan dos fuentes de error de las descritas anteriormente: las relativas al tiempo de envío y al tiempo de acceso al medio. La distribución del sincronismo en la estructura basada en cluster se debe realizar basándose en un reloj de referencia principal ubicado en un nodo, que distribuye la referencia a los nodos que están por debajo de él. A su vez, los nodos cabecera de los clusters distribuyen la referencia de sincronismo a los nodos que forman el cluster. La distribución del reloj se realiza con mecanismos de difusión que alcanzan a todos los nodos, utilizándose la comparación de diferentes sincronizaciones por parte de los nodos receptores para corregir derivas en la referencia. 57

57 UWB Baliza 1 (x1,y1,z1) El modo de adquirir y corregir el sincronismo es uno de los principales retos a los que se enfrentan los sistemas de comunicaciones modernos. Se trata de un aspecto que por su complejidad y multiplicidad de esquemas y posibilidades sobrepasa las intenciones del presente artículo. Se citan simplemente los dos esquemas que se consideran más adecuados para la adquisición y corrección del sincronismo en las redes UWB, que son: 1. El almacenado de múltiples paquetes de sincronización. Al tener almacenada información sobre diferentes emisiones de la referencia, se puede extrapolar una ley general que caracterice las variaciones entre los relojes de los nodos. Esto se puede realizar gracias a que la deriva entre los dos relojes es una variable aleatoria gaussiana. 2. La utilización de los nodos que reciben información del sincronismo de los diferentes nodos cabecera para conseguir una referencia absoluta de la red. Al recibir señales de sincronización de diferentes nodos, se realiza una comprobación de la que se puede extraer la diferencia entre los relojes que tienen los nodos emisores de referencia. SISTEMAS DE LOCALIZACIÓN MEDIANTE LA TECNOLOGÍA UWB UWB Baliza 2 Corrección del sincronismo (x2,y2,z2) ƒ1 ƒ2 Figura 17. Esquema de localización basado en TOF ƒ3 (x,y,z) ƒν UWB Baliza 3 (x3,y3,z3) UWB Baliza N (xn,yn,zn) Como se ha descrito a lo largo del artículo, las señales UWB presentan duraciones temporales muy cortas, lo cual las hace especialmente interesantes para los sistemas de localización altamente precisos. En efecto, la posibilidad de disponer de un servicio de localización de alta precisión será otra de las grandes ventajas comparativas de este tipo de sistemas frente a los sistemas clásicos de comunicaciones inalámbricas. El hecho de que los pulsos de UWB presenten una duración muy pequeña (del orden de cientos de picosegundos), permite que se pueda discernir (sí conocemos la posición absoluta de algunos elementos de la red) entre márgenes temporales muy pequeños. Por tanto, en primera instancia se dispone de una resolución temporal muy alta, lo cual permitirá medidas muy precisas de tiempos, y, por lo tanto, como se verá a continuación, de distancias, y por consiguiente de posiciones relativas. La posición puede darse en coordenadas absolutas o relativas. En los siguientes apartados se describen dos de las posibles técnicas empleadas en la determinación de la posición de terminales móviles. La primera de ellas se basa en la existencia de una red de sensores fijos de posición conocida, que se emplean como referencia para el cálculo del TOF (Time of Flight). La segunda está basada en la medida del TDOA (Time Difference of Arrival) por parte del terminal móvil. La técnica de localización basada en TOF En la Figura 17 se presenta el esquema básico de localización de esta técnica. Como se aprecia en la figura, se dispone de N sensores fijos de posición conocida (denominados beacon). Según esta técnica se requerirá de un mínimo de tres sensores para determinar la posición tridimensional, aunque es común que existan más, pues de este modo se aumenta la cobertura del sistema, evitando zonas de sombra, y aumentando también, por otro lado, la precisión en la determinación de la posición. La posición de los sensores fijos es conocida con precisión a través del GPS diferencial, de la cartografía disponible o de otras técnicas de posicionamiento. El proceso de determinación de la posición es el siguiente: En primer lugar, el terminal móvil emite una señal UWB que es recibida por los sensores fijos (no necesariamente por todos, pero sí por tres de ellos por lo menos para la localización tridimensional). 58

58 A continuación cada sensor fijo identifica al terminal móvil, y tras un retardo fijo, diferente para cada sensor, transmite un mensaje de respuesta que contiene la identificación del sensor. El objeto de aplicar un retardo fijo al mensaje de respuesta es evitar que el terminal móvil reciba respuestas simultáneas desde diferentes sensores. UWB Baliza 3 ƒ 23 UWB Baliza 2 (x2,y2,z2) Por último, el terminal móvil recibe la respuesta de cada uno de los sensores y evalúa el tiempo denominado Time-of-Flight (TOF), que es el tiempo de propagación de la señal UWB, restando el retardo asociado a cada sensor. De este modo, es posible conocer en los tres sensores utilizados la medida del tiempo relativo ( t i ) a cada uno ellos, que es función de la posición relativa del móvil respecto de cada sensor. Así, se dispone de las tres ecuaciones siguientes: (x3,y3,z3) UWB Baliza 4 (x4,y4,z4) ƒ 34 Figura 18. Esquema de localización basado en TDOA (x,y,z) ƒ 12 UWB Baliza 1 (x1,y1,z1) La posición del terminal móvil se puede obtener resolviendo el sistema de tres ecuaciones con tres incógnitas. La técnica de localización basada en TDOA En este técnica se emplea la medida de los retardos relativos de las señales emitidas por un conjunto de sensores fijos, en su propagación hasta el receptor móvil. La diferencia con el anterior método reside en que, en este caso, no será necesario un esquema de pregunta-respuesta entre los sensores fijos y el terminal móvil, sino que el terminal móvil es simplemente un receptor UWB, que determinará los tiempos de propagación de las señales emitidas por los sensores fijos. En primera instancia se puede pensar en la medida directa del TOF (Time of Flight) relativo a cada sensor respecto del receptor móvil, pero esto implica la necesidad de una sincronización muy precisa no sólo en los sensores, sino también en el receptor móvil. Este hecho complicaría innecesariamente el diseño del receptor móvil, haciéndose difícil el cumplimiento de determinados parámetros deseables para un equipo móvil (bajo consumo, reducidas dimensiones, bajo coste, etc.). Por ello, se mide no el TOF sino el TDOA (Time Difference of Arrival), o la diferencia de retardo entre la transmisión de dos sensores fijos. De este modo, se tiene una red de sensores fijos sincronizados de manera precisa, y un terminal móvil que al medir diferencias de retardos no requiere de una sincronización tan precisa. Por el contrario, se requerirá un mínimo de cuatro sensores para determinar la posición tridimensional, y no tres como en el esquema anterior. En la Figura 18 se muestra el esquema asociado a esta técnica. El proceso de determinación de la posición es el siguiente: Los distintos sensores fijos, y de posición conocida, emiten una señal de UWB. En el receptor móvil se computan las diferencias de retardo entre las señales procedentes de cada sensor, tomados de dos en dos. De esta manera, para cuatro sensores, se dispone de tres ecuaciones con tres incógnitas: Resolviendo estas tres ecuaciones se obtienen las coordenadas (x,y,z) relativas a la posición del terminal móvil. 59

59 REGULACIÓN SOBRE UWB La baja potencia de las señales emitidas permite minimizar el nivel de interferencia en las bandas de frecuencias utilizadas para otros propósitos, aunque sigue siendo un tema objeto de estudio, especialmente si es elevado el número de transmisores de UWB. En febrero de 2002, la FCC aprobó los límites máximos de transmisión para UWB [8], como revisión del Código de Regulaciones Federales, volumen 47, apartado 15. Los límites aprobados varían según la aplicación de la señal UWB (interiores, exteriores, radar e imagen). En la Figura 19 se muestran los límites para las comunicaciones UWB en interiores. También se representa el límite que se proponía en el apartado 15 de la norma (-41,3 dbm/mhz). Uno de los sistemas que potencialmente son más vulnerables a posibles interferencias de los sistemas UWB es el sistema de posicionamiento GPS (Global Positioning System), ya que las señales recibidas, procedentes de satélites, son muy débiles. Por ello, se ha reducido el nivel máximo de emisión permitido en estas bandas específicas de frecuencias. Como se puede observar, el margen de frecuencias adecuado para estas comunicaciones es el establecido entre 3,1 y 10,6 GHz. REDES "AD HOC" CON INTERFAZ FÍSICA UWB Como se ha visto, los sistemas UWB transmiten la información como ráfagas de pulsos de radio frecuencia de muy corta duración (decenas de picosegundos). Esta propiedad confiere a estos sistemas características singulares como: Su elevada velocidad de transmisión a distancias cortas (decenas de metros). Su baja densidad espectral de potencia. Su alta inmunidad frente a la propagación multitrayecto. Su alta resolución temporal, lo cual permite obtener una precisión de localización del orden de centímetros. Estas características conjugan bien con los requisitos de transmisión de los entornos telemáticos, físicamente limitados y compartimentados como el domótico, el empresarial de un edificio de oficinas, el de negocios en aeropuertos, etc. En entornos de este tipo conviven usuarios que precisan de aplicaciones y servicios con requisitos y características muy diferentes en cuanto a velocidad de transmisión, velocidad de conexión, seguridad de la información, calidad de servicio y movilidad, y todo ello realizado sobre un canal de radio en el que los efectos del multitrayecto fijan en muchos casos los límites de la transmisión. Los requisitos enumerados exigen además de la red que los soporta un comportamiento altamente flexible, comportamiento que es inherente a las redes ad hoc. En estas redes no existe un control centralizado, sino distribuido entre los nodos o terminales, lo que permite que puedan reconfigurarse y adaptarse a los cambios de la red en cuanto a movilidad y número de nodos. Todo ello las dota de una gran resistencia a fallos. Nivel de emisión (dbm/mhz) Banda GPS Límite para interiores Límite para el apartado 15 El concepto más extendido de una red móvil ad hoc es el de una red formada sin necesidad de una gestión centralizada y que consta de nodos móviles que usan una interfaz inalámbrica para enviar paquetes de datos. En estas redes, los nodos pueden servir de encaminadores y de anfitriones de la información, y pueden enviar paquetes en nombre de otros nodos y ejecutar las aplicaciones del usuario. Frecuencia (GHz) Figura 19. Niveles máximos de emisión de señales UWB aprobados por la FCC Los orígenes de las redes ad hoc arrancan en 1968, cuando se iniciaron los trabajos de la red ALOHA (el objeto de esta red era conectar centros educativos en Hawai), cuyos algoritmos permitían la gestión distribuida del acceso a los canales de radio. Inspirada en la 60

60 red ALOHA y en desarrollos anteriores de conmutación de paquetes en redes fijas, DARPA comenzó en 1973 a trabajar en la PRnet (Packet Radio network), una multirred de salto múltiple. En este contexto, salto múltiple significaba que los nodos cooperaban en la retransmisión del tráfico en beneficio mutuo para llegar a estaciones distantes que de otra manera habrían estado fuera de su alcance. El término de red ad hoc surge durante el desarrollo del estándar IEEE El IEEE sustituyó el término red de paquetes de radio por el de red ad hoc. Mediante la adopción de este nombre esperaba mostrar un nuevo escenario de desarrollo de las redes de paquetes de radio, que hasta ese momento estaban asociadas con las redes militares de salto múltiple y de emergencia a gran escala. Las características más intrínsecas a este tipo de redes son: La operación distribuida. Uno de los paradigmas de las redes ad hoc es la gestión distribuida, que da lugar a la denominada operación ubicua, es decir, la inteligencia de la red está presente en todos los terminales. La topología de red dinámica. Su topología es cambiante, tanto en el número de terminales como en su distribución. Estas dos características condicionan de forma significativa ciertos aspectos de la red, como son: El encaminamiento. La ausencia de un único elemento de red que gestione el encaminamiento hace crítica la fase de selección del algoritmo de dicho encaminamiento, ya que condicionará gran parte de los parámetros de la red. La seguridad. Es un aspecto a considerar, ya que la red utiliza nodos de tránsito para llegar al destino, los cuales podrían tener acceso a la información. La calidad de servicio. Según se incrementa el número de saltos intermedios en la ruta, se empeora la tasa de error, con lo cual es posible que no se pueda alcanzar la QoS requerida para una determinada aplicación. La sincronización de la red. Es un aspecto técnico complejo en las redes de este tipo y en un entorno como el descrito. La energía. La gestión de la energía de los nodos es otro de los aspectos técnicos importantes. En este tipo de redes puede darse la paradoja de agotar la batería de un terminal cursando llamadas que no tienen ni origen ni destino en el propio terminal. Existen diferentes tipos de redes ad hoc, pudiéndose diferenciar por la técnica de encaminamiento que utilizan o por su estructura de nodos. En cuanto a la técnica de encaminamiento, se pueden diferenciar dos tipos de redes: 1. Redes de salto simple. Son aquellas que no soportan la función de encaminamiento de forma inherente, debiendo estar cada nodo al alcance de los restantes, como es el caso de los sistemas actuales de telefonía celular. 2. Redes de salto múltiple. En estas redes los paquetes se encaminan desde el nodo origen al destino a través de nodos de paso. En la Figura 20 se muestra el proceso de encaminamiento de estos dos tipos de redes. En lo referente a la estructura de los nodos, se pueden diferenciar también dos tipos de redes: 1. Redes planas. En estas redes todos los nodos tienen el mismo peso y funciones dentro de la red, y las conexiones se establecen entre aquellos nodos lo suficientemente próximos como para disponer de buenas condiciones de propagación radio. El encaminamiento queda limitado por las condiciones de conectividad. SALTO SIMPLE Alcance limitado por energía Origen Destino Nodo de paso Nodo inactivo SALTO MÚLTIPLE Figura 20. Encaminamiento en una red de salto múltiple y de salto simple 61

61 RED JERÁRQUICA RED PLANA Nodo origen Cabecera de cluster Cluster A Cluster B Nodo Nodo origen Nodo Cluster D Cluster C Nodo destino Nodo destino Figura 21. Estructuras de las redes "ad hoc" 2. Redes jerarquizadas. En este tipo de redes hay nodos que tienen diferente peso y funciones dentro de la red, además los nodos están agrupados en clusters, dentro de los cuales hay un nodo cabecera del agrupamiento. Por otro lado, el tráfico entre nodos de diferentes agrupamientos se hace a través de los nodos cabecera de los agrupamientos origen y destino. Dependiendo de los niveles de la estructura jerárquica, la profundidad de la red puede ser desde un simple nivel a varios niveles. La estructura de red plana es más eficaz en cuanto a que permite múltiples caminos a un destino, reduciendo los cuellos de botella, y sus algoritmos son más fáciles de implementar, pero no lo es tanto en cuanto a la facilidad de gestionar la red y la escalabilidad de la misma. En la Figura 21 se muestra un ejemplo de este tipo de estructuras. Algoritmos de encaminamiento Los algoritmos de encaminamiento se pueden clasificar, en función de la estrategia utilizada para la creación y gestión de las rutas, en: Proactivos. En estos algoritmos todos los nodos disponen de información permanentemente actualizada de las rutas existentes entre los nodos de la red. Su principal ventaja consiste en que el tiempo requerido para el establecimiento de una ruta es corto, y su mayor inconveniente es el elevado consumo de recursos que conlleva la tarea de actualización de las rutas. Reactivos. Son los que buscan una ruta entre el nodo origen y el destino en el momento en que se quiere establecer una comunicación entre ellos. Para ello se dispone principalmente de dos técnicas de búsqueda: a) Búsqueda con inundación (flooding). En este tipo de búsqueda se lanzan peticiones de ruta por todos los enlaces, provocando una inundación de la red. b) Búsqueda sin inundación. Los algoritmos que no utilizan inundación usan la información anterior para limitar la difusión por la red. La localización de una nueva ruta tiene un periodo de latencia mayor que el de los algoritmos proactivos, pero a su vez cuentan con un tráfico menor de gestión del encaminamiento. Híbridos. Es una combinación de los algoritmos anteriores. En la Figura 22 se muestra una clasificación de los principales algoritmos de encaminamiento. Son tres los algoritmos proactivos más utilizados (en la Tabla 1 se resumen sus características principales), de los cuales se pueden destacar los siguientes aspectos: 62

62 PROTOCOLOS DE ENCAMINAMIENTO PROACTIVOS REACTIVOS HÍBRIDOS WRP DSSV HSR ZHLS CBRP AODV DSR LMR ABR DcSR TORA SSR CEDAR ZRP GSR CGSR FSR ABR: Associability Based Routing AODV: Ad hoc On-demand Distance Vector CBRP: Cluster Based Routing Protocol CEDAR: Core Extraction Distributed Ad hoc Routing CGSR: Cluster head Gateway Swich Routing DSDV: Dynamic Destination-Sequenced Distance-Vector DSR: Dynamic Source Routing DcSR: Dynamic clouster-based Source Routing FSR: Fisheye State Routing GSR: Global State Routing HSR: Hierarchical State Routing LMR: Lightweight Mobile Routing SSR: Signal Stability Routing TORA: Temporally Ordered Routing Algorithm WRP: Wireless Routing Protocol ZHLS: Zone-based Hierarchical Link State ZRP: Zone Routing Protocol Figura 22. Algoritmos de encaminamiento Cada nodo del WRP debe mantener actualizadas cuatro tablas de encaminamiento, frente a dos tablas del DSDV y CGSR, lo que puede exigir cantidades importantes de memoria cuando el número de nodos de la red es grande. WRP y CGSR actualizan las tablas periódicamente y cuando se necesita. Por otra parte, DSDV lo hace también periódicamente, pero de manera independiente del número de cambios en la topología de la red, además dispone de dos tipos de mensajes de actualización: el de descarga completa y el incremental, este último significativamente más corto. WRP y CGSR requieren el uso de mensajes de latencia aunque haya habido transmisión reciente de paquetes a un nodo dado, mensajes que consumen ancho de banda. WRP tiene la ventaja sobre los dos restantes de que PARÁMETRO WPR DSDV CGSR Estructura de red Plana Jerárquica Plana Número de tablas necesarias Libre de lazos Sí, no instantáneo Sí Sí Frecuencia de actualización de las tablas Periódicamente y si se necesita Periódicamente Periódicamente y si se necesita Actualizaciones dirigidas a Nodos vecinos Nodos vecinos y cabecera del grupo Nodos vecinos Utiliza números de secuencia Sí Sí Sí Utiliza mensajes de saludo Sí No Sí Nodos críticos No Sí (cabecera de grupo) No Métrica de encaminamiento Camino más corto Camino más corto Camino más corto Tabla 1. Características de los algoritmos de encaminamiento proactivos 63

63 PARÁMETRO AODV DSR TORA ABR SSR Estructura de red Plana Plana Plana Plana Plana Libre de lazos Sí Sí Sí Sí Sí Requiere balizamiento No No No Sí Sí Posibilidad de rutas múltiples No Sí Sí No No Rutas mantenidas en Tabla de ruta Caché de ruta Caché de ruta Tabla de ruta Tabla de ruta Metodología de reconfiguración de rutas Borrado de ruta. Notificación a la fuente Borrado de ruta. Notificación a la fuente Conexión inversa. Reparación de ruta Requerimiento de ruta por difusión Borrado de ruta. Notificación a la fuente Métrica de encaminamiento El camino más corto y actual El camino más corto El camino más corto Asociatividad y el camino más corto Asociatividad y estabilidad Tabla 2. Características de los algoritmos de encaminamiento reactivos evita el problema de creación de lazos de encaminamiento temporales al verificar la información del nodo que le precede. DSDV selecciona el camino más corto al destino basándose en el número de saltos requeridos. CGSR tiene la ventaja de que pueden utilizar varios métodos heurísticos para mejorar el rendimiento del algoritmo. En la Tabla 2 se resumen las características principales de los algoritmos reactivos. Los aspectos a destacar en estos algoritmos son: AODV emplea una mecánica de localización de rutas similar al DSR. Se diferencian en el tamaño de las cabeceras de los mensajes, que en el DSR pueden ser potencialmente mayores, ya que informan en cada paquete de la ruta completa, mientras AODV sólo informa de la dirección destino. DSR es un algoritmo pensado para aquellas redes en las que los nodos móviles se mueven a velocidades moderadas con respecto a la latencia del paquete transmitido. Como los restantes algoritmos reactivos, no actualizan periódicamente la información sobre los encaminamientos, por lo que dedican menos ancho de banda a señalización. Los nodos de DSR y TORA pueden mantener múltiples rutas a un destino, de forma que cuando se cae una ruta buscan otra en la caché. La recuperación de una ruta se realza de manera más rápida. TORA es un algoritmo pensado para redes con grandes cantidades de nodos. ABR es un algoritmo que busca el compromiso entre la difusión y el encaminamiento punto a punto. ABR, junto con SSR, selecciona la ruta basándose en la asociatividad de sus nodos. Las características más notables de los dos tipos de algoritmos de encaminamiento analizados se resumen en la Tabla 3. La diferencia más importante entre ellos corresponde a la actualización de la información de las rutas, que en los algoritmos proactivos es periódica y en los reactivos no lo es, realizándose bajo demanda, de forma que cuando un nodo requiere una ruta a un destino, si no ha sido actualizada recientemente, tiene que esperar a que tal ruta sea localizada. En los algoritmos proactivos, esta información siempre está disponible al encontrarse permanentemente actualizadas las tablas de encaminamiento, con lo que el proceso de localización de ruta es más rápido. Esta característica, útil para el tráfico de datos, incrementa notablemente el tráfico de señalización, lo que supone un consumo excesivo de recursos escasos como el ancho de banda y la energía de los móviles. Es una limitación muy importante. Algoritmos basados en "cluster" Una estructura jerárquica especialmente idónea para su aplicación en entornos como los comentados es la estructura de red basada en clusters. 64

64 PARÁMETRO PROACTIVOS REACTIVOS Estructura de red Plana, excepto CGSR Plana Actualización periódica de rutas Necesario No es necesario Disponibilidad de información de encaminamiento Tráfico generado Disponibilidad de QoS Siempre, independientemente de la necesidad Mayor que el de los algoritmos reactivos Mayoritariamente la métrica de QoS es el camino más corto Cuando se necesita Crece con el incremento de movilidad de las rutas activas Pocos pueden soportar QoS, aunque la mayoría soportan el camino más corto Tabla 3. Resumen de los algoritmos proactivos y reactivos Los algoritmos de encaminamiento basados en clusters organizan la red en grupos de nodos en función de su proximidad, con objeto de simplificar las tareas de búsqueda de nodos al tenerlos localizados dentro de un cluster. El proceso de incorporación de los nodos al cluster es un proceso dinámico que consta de dos tareas principales: el establecimiento del cluster y su mantenimiento. La principal limitación de este esquema es el consumo de recursos que conllevan las tareas de mantenimiento del cluster. Estos recursos pueden reducirse minimizando las cabeceras y la complejidad de cálculo de las tareas de mantenimiento. El uso de algoritmos de encaminamiento basados en cluster tiene las siguientes ventajas: La estructura de clusters contribuye a estabilizar la topología de la red y reducir el número de paquetes de control requerido para mantener la información de encaminamiento. Al estar agrupados los nodos en clusters, se puede minimizar el consumo de energía. Se podría plantear el uso del nodo cabecera para que almacenara datos y de esta manera permitir a los terminales móviles que entren periódicamente en estado de bajo consumo. El concepto de nodo cabecera simplifica la localización de los nodos dentro del cluster y facilita el encaminamiento fuera del mismo. La estructura de clusters brinda una infraestructura ideal para soportar la transmisión en tiempo real a través de redes heterogéneas. Existen diferentes propuestas de algoritmos de encaminamiento basados en cluster que aportan diferentes grados de compromiso entre escalabilidad, soporte a la movilidad y consumo de energía (su principal diferencia radica en el criterio usado para la organización del cluster y la estrategia de encaminamiento implementada sobre esta estructura): En [13] se propone un esquema en el que se divide dinámicamente la red en diferentes clusters solapados. El criterio seguido para la creación del cluster se basa en la potencialidad de alcanzar los nodos en un único salto, buscándose, por tanto, poder formar clusters lo más grandes posibles dentro de la topología dinámica de la red. Este algoritmo utiliza una estrategia de encaminamiento puramente proactiva. En [14] se propone una estructura de red en clusters que aplica como criterio para su configuración la probabilidad de fallo del camino. Los autores proponen un encaminamiento similar al algoritmo ZRP (Zone Routing Protocol), usando la organización de cluster como mecanismo para conmutar dinámicamente entre encaminamiento proactivo o reactivo. Dentro del cluster se usa encaminamiento proactivo, mientras que fuera se usa el reactivo. Este sistema necesita algún tipo de información sobre la movilidad para calcular la probabilidad de fallo del camino. En [15] se analizan los beneficios que produce al tráfico multimedia el hecho de estructurar la red en clusters. Utiliza un algoritmo de creación de clusters sencillo, empleando los identificadores de nodo para construir clusters con un modelo determinista. En [16] se muestra el algoritmo de encaminamien- 65

65 to CEDAR (Core-Extraction Distributed Ad hoc Routing). Este algoritmo es capaz de proporcionar QoS a las redes ad hoc. La red se organiza alrededor de un pequeño conjunto de nodos, que se denomina core. Este core presenta una arquitectura lo suficientemente eficiente como para implementar un algoritmo de encaminamiento robusto frente a la QoS. En [17] se presenta el algoritmo CBRP (Cluster Based Routing Protocol). Aquí, la topología se crea a partir de clusters de dos saltos. Para encaminar los paquetes a lo largo de los clusters se utiliza un algoritmo de encaminamiento dinámico en fuente (DSR), que aprovecha el conocimiento de la topología de red para minimizar el tráfico de inundación (flooding) generado para buscar la ruta. Este algoritmo funciona bastante bien en topologías estables, y se va haciendo menos eficiente conforme aumenta la inestabilidad del escenario. Finalmente, en [18] los autores proponen el sistema MMWM (Multimedia Support for Wireless Networks). Aquí se organiza la red utilizando una infraestructura híbrida entre cluster y multinivel. La agrupación multinivel define tres tipos diferentes de elementos de red, que se agrupan unos dentro de otros. El mantenimiento de esta jerarquía implica la necesidad de cabeceras de gran tamaño. Hiperlan/2 [19] también dispone de un modo directo de comunicarse entre terminales móviles, lo que significa que tiene algunas de las propiedades que entran en la categoría de red ad hoc. Un concepto particular de red ad hoc es el correspondiente a la PAN (Personal Area Network) que gestiona las comunicaciones directas entre diversos dispositivos situados en el área de influencia de una persona. La tecnología más representativa de esta aplicación es la Bluetooth. Además, una PAN puede soportar tecnologías de acceso diferentes, correspondientes a los dispositivos que forman parte de ella, que explotan sus funciones ad hoc. En [20] se describe el proyecto Terminodes que se está desarrollando en el Instituto Federal Suizo de Tecnología de Laussanne y Zurich. Se trata de un proyecto a largo plazo ( ) que pretende estudiar y realizar prototipos de redes ad hoc móviles autoorganizadas. Este proyecto incluye el estudio de todos los niveles, desde el físico hasta el de aplicación, además intenta responder a la pregunta sobre la operatividad real de estas redes y en que escala. Finalmente destaca el potencial social y de negocio que podría generar el cambio de paradigma que este tipo de redes podría aportar en el mundo de las telecomunicaciones. Actividades más relevantes en curso Las redes móviles ad hoc han sido el centro de atención de muchos trabajos de desarrollo recientes. Hasta la fecha, han sido tomadas en consideración principalmente para aplicaciones militares, donde una configuración de red descentralizada es una ventaja operativa o incluso una necesidad. Algunas de las tecnologías actuales de acceso radio se acercan en mayor o menor grado a la operación ad hoc. Así, un procedimiento similar se aplica en los sistemas de acceso de bucle local inalámbrico de salto múltiple WLL (Wireless Local Loop), concebidos primordialmente para el acceso a Internet. El estándar IEEE b dispone de funcionalidades de red ad hoc que se denominan Independent Basic Service Set (IBSS) [20]. Un IBSS permite que se comuniquen directamente dos o más estaciones móviles sin necesitar de la intervención de un punto de acceso centralizado. REQUISITOS DE RED EN UN ENTORNO DOMÓTICO-EMPRESARIAL Entendemos por "entorno domótico-empresarial" aquel que está formado por un colectivo de personas con un mismo fin, en un espacio limitado y compartimentado, y que utiliza elementos comunes de comunicación con ciertos requerimientos de soporte e intercomunicación punto a punto. Este tipo de entorno debe presentar las siguientes características: Espacio limitado. Puede ser una planta o un edificio. Espacio compartimentado. Los espacios deben estar delimitados por medio de paredes o muros. Distancias pequeñas. Número de elementos (nodos) variable en el tiempo. 66

66 Debe soportar diferentes tipos de terminales: Terminales móviles para voz, datos y videoconferencia. Agendas electrónicas (PDAs). PCs portátiles. Dispositivos de acceso a Internet. Servidores para almacenamiento de la información. Impresoras o faxes. Sensores de todo tipo. Debe soportar diferentes tipos de servicios (audio, vídeo, datos a alta velocidad, etc.), con diferentes parámetros en cuanto a tiempo de latencia y máxima BER permitida. Para ello debe cumplir ciertos requisitos: Procesamiento en tiempo real. Algunas aplicaciones requieren procesamiento en tiempo real, como videoconferencia, aplicaciones de voz, etc. Gran ancho de banda. Requerido para aplicaciones que necesitan una tasa de información elevada, como transferencia de ficheros o videoconferencia. Tiempo máximo de conexión. Algunos algoritmos reactivos buscan la ruta del enlace en el momento de la solicitud de conexión, lo que implica un tiempo de latencia hasta transmitir la información, que puede ser excesivo en algunos casos. Supervivencia de la red. Debe disponer de mecanismos de supervivencia frente a fallos, garantizando rutas alternativas a la ruta activa. Confidencialidad y seguridad. Debe estar garantizada. Calidad de servicio (QoS). La incorporación y desaparición de nodos de la red, y por tanto de sus rutas, es un hecho intrínseco a este tipo de redes. Debe garantizar una QoS aceptable en estas condiciones, y en lo posible negociable en función de la aplicación. Debe ser flexible, para proporcionar un servicio aceptable con independencia del número de nodos presentes en la red en un momento dado. En un entorno de este tipo puede variar de forma importante el número de nodos a lo largo del día. Dispondrá de conexión a otras redes. Debe garantizar el acceso a una intranet, a Internet, etc. Dispondrá de cobertura. Debe garantizar la cobertura en zonas de sombra, donde no existe cobertura por otros medios. Por otro lado, un entorno como el descrito presenta algunas características favorables a la implementación de una red ad hoc: Estabilidad de los terminales. La mayoría de los terminales presentan una baja movilidad durante su permanencia en la red. Los dispositivos son fijos. La presencia de dispositivos con ubicación fija o semifija puede aprovecharse desde diferentes enfoques: Al disponer de una conexión a la red eléctrica se minimiza el gasto de batería, por lo que se pueden utilizar estos dispositivos para realizar saltos intermedios. Se facilita la conexión a la red de comunicaciones por cable e Internet. El hecho de tener una ubicación estable posibilita su utilización como punto de referencia de coordenadas para la función de geolocalización de los terminales. Las distancias son cortas. En este entorno la distancia entre terminales es reducida, posibilitando las comunicaciones multisalto y minimizando el gasto de batería. El espacio es limitado. La red se extiende a lo largo de un espacio limitado, facilitando el desarrollo del algoritmo de encaminamiento, así como limitando el tiempo de demora para el establecimiento de una comunicación. Selección del algoritmo de encaminamiento Como se expuso anteriormente, entornos como los descritos tienen unas características específicas que condicionan la elección del algoritmo de encamina- 67

67 miento. Entre ellas se destacan las siguientes: Estabilidad geográfica de los terminales a lo largo del tiempo. Dinámica de la red, es decir, la concentración de los terminales varía mucho durante el día. Presencia de nodos fijos o con escasa movilidad. Distancias cortas. Región limitada. Concentración de nodos en puntos específicos y en determinados momentos (reuniones o conferencias, presentaciones, etc.). La estructura de red que mejor se ajusta a este tipo de entornos es la jerarquizada basada en clusters, que facilita las labores de gestión de red y minimiza el consumo de recursos que conlleva. Los algoritmos basados en cluster son especialmente adecuados para entornos, como el propuesto, con baja movilidad y espacio limitado. La creación de los clusters se puede realizar en función de diferentes criterios, como número de saltos máximo para alcanzar el nodo cabecera del cluster, máxima distancia al nodo cabecera o a cualquier otro nodo, número máximo de nodos por cluster, etc. En cualquier caso, el algoritmo deberá cumplir los siguientes requisitos: Cualquier nodo podrá ser cabecera de cluster. En las comunicaciones entre nodos del mismo cluster se deberá soportar la comunicación directa entre nodos sin que intervenga el nodo cabecera. En las comunicaciones entre nodos de diferentes clusters se deberá soportar el multisalto. Los algoritmos de encaminamiento basados en cluster constan de dos tareas principales: 1. Las tareas de creación del "cluster". En lo que se refiere a este tipo de tareas, el algoritmo deberá cumplir los siguientes requisitos: Selección del nodo cabecera. Se hará basándose en diferentes criterios: Capacidad energética. Se seleccionarán primero los nodos fijos conectados a la red o que dispongan de mayor batería. Tipo de terminal. Determina el tiempo de permanencia en el cluster. Capacidad de proceso de datos. Volumen de tráfico generado. Asociación de nodos a un "cluster". La selección se hará basándose en criterios como: Distancia máxima. Si la distancia entre el nodo cabecera y el nodo a asociar supera un máximo, entonces se procederá a la creación de otro cluster. Pertenencia a un mismo grupo con interés común. Número de terminales. Si el número de terminales supera un valor que dificulta su gestión, entonces se creará otro cluster. 2. Las tareas de mantenimiento del "cluster". Serían las siguientes: Gestión de altas y bajas de los nodos miembros del cluster. Gestión del número de terminales y distancia máxima, y si se supera alguno de los parámetros se procede a la creación de nuevos clusters. Rotación de la tarea de nodo cabecera entre los nodos para preservar la batería. Reconfiguración del cluster por caída o abandono del nodo cabecera, designando a otro nodo en su lugar. Los requisitos aquí comentados son difícilmente soportados por un único algoritmo de encaminamiento, siendo necesario conjugar dos o más algoritmos. Así, por ejemplo, la gestión de las comunicaciones entre clusters podría ser soportada por el DcSR (Dynamic cluster-based Source Routing), mientras que la gestión de las comunicaciones dentro del cluster podría ser encargada a otro tipo de algoritmo mejor adaptado para esta función, como el ICRP (Intra Cluster Routing Protocol). 68

68 CONCLUSIONES La interfaz radio UWB permite tasas de transmisión muy elevadas en distancias cortas y presenta un buen comportamiento frente a la propagación multitrayecto, lo que la hace especialmente adecuada en los entornos domóticos y empresariales. La simplicidad de los transceptores dará lugar a dispositivos de bajo coste (aunque presentan retos tecnológicos importantes como son las antenas, la necesidad de disponer de una referencia de sincronización muy precisa y la inmunidad frente a los sistemas de banda estrecha). Asimismo, la interfaz UWB puede permitir reutilizar el espectro, ya que se puede transmitir con un nivel de interferencia muy bajo sobre los servicios existentes en las bandas de frecuencia asignadas. Sin embargo, este aspecto está pendiente de estudio y de comprobación fehaciente, especialmente en el caso en que sea elevado el número de terminales que transmiten señales UWB en la cercanía de un receptor de otro servicio. Es un tema actualmente en estudio y que deberá ser contemplado en la correspondiente regulación. En lo que respecta a las redes ad hoc, éstas son una interesante alternativa para su uso como redes domóticas y empresariales, especialmente por su capacidad para adaptarse a un número variable de terminales con diferentes prestaciones. La estructura de la red y el algoritmo de encaminamiento son los aspectos más relevantes que condicionan sus prestaciones. Por último, se puede destacar que el algoritmo de encaminamiento puede valerse de la localización de alta precisión inherente a la interfaz radio UWB para mejorar sus prestaciones. 69

69 Glosario de Acrónimos ABR AODV BER CBRP CEDAR CGSR DcSR DSC DSDV DSP DSR EIRP FCC FPGA FSR GPS GSR HSR IBSS ICRP ISM LMR MMWM Associability Based Routing Ad hoc On-demand Distance Vector Bit Error Ratio Cluster Based Routing Protocol Core Extraction Distributed Ad hoc Routing Cluster head Gateway Switch Routing Dynamic cluster-based Source Routing Direct Sequence Phased Coded Dynamic Destination-Sequenced Distance-Vector Digital Signal Processor Dynamic Source Routing Effective Isotropic Radiated Power Federal Communications Commission Field Programmable Gate Array Fisheye State Routing Global Positioning System Global State Routing Hierarchical State Routing Independent Basic Service Set Intra Cluster Routing Protocol Industrial Scientific and Medical Lightweight Mobile Routing Multimedia Support for Wireless Networks PAM PAN PLL PPM PRF QoS SRD SRT SSR S/H TDOA TM-UWB TOF TORA UNII UWB VCO WLL WPAN WRP ZHLS ZRP Pulse Amplitude Modulation Personal Area Network Phase-Looked Loops Pulse Position Modulation Pulse Repetition Frequency Quality of Service Step Recovery Diodes Step Recovery Transistors Signal Stability Routing Sample and Hold Time Difference of Arrival Time Modulated Ultra Wide Band Time of Flight Temporally Ordered Routing Algorithm Universal Networking Information Infrastructure Ultra Wide Band Voltage Controlled Oscillators Wireless Local Loop Wireless Personal Area Network Wireless Routing Protocol Zone-based Hierarchical Link State Zone Routing Protocol Referencias 1. Papoulis: The Fourier integral and its applications (chapter 5). McGraw-Hill, New York, G.F. Ross: The transient analysis of multiple beam feed networks for array systems.phd dissertation, Polytechnic Institute of Brooklyn, Brooklyn, New York, G.F. Ross: The transient analysis of certain TEM mode fourport networks.ieee Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. MTT-14, no. 11, pp , Transmission and Reception System for Generating and Receiving Base-band Duration Pulse Signals without Distortion for Short Base-band Pulse Communication System. US Patent No. 3,728,632, 17-April Jeffrey R. Foerster: The effects of multipath interference on the performance of UWB systems in an indoor wireless channel.intel Architecture Labs. 6. H. Kopetz and W. Schwabl: Global time in distributed realtime systems. Communications of the ACM, 21(7) pp , Jeremy Elson, Lewis Girod and Deborah Estrin: Fine- Grained Network Time Synchronization using Reference Broadcasts. Submitted for review, Feb UCLA Technical Report Federal Communications Commission (FCC), Revision of part 15 of the Commission s Rules Regarding Ultra- Wideband Transmission Systems. First Report and Order, ET Docket , FCC 02-48; Adopted: February 14, 2002; Released: April 22, Robert J. Fontana: Experimental results from an ultra wideband precision geolocation system.multispectral Solutions. 10. John McCorkie: Why such uproar over Ultrawideband? Communication System Design, March Eva H.K. Yeung and John Mitchell: Modelling of Ultrawideband (UWB) radio system. University College, London. 12. James D. Taylor: Ultra-Wideband Radar Technology. CRC Press, P. Krishna, N. H. Vaidya, M. Chatterjee, and D. K. Pradhan: A cluster-based approach for routing in dynamic networks. ACM SIGCOMM Computer Communication Review (CCR), vol. 27, no. 1, January B. McDonald and T. Znati: A mobility based framework for adaptative clustering in wireless ad hoc networks. IEEE Journal of Selected Areas in Communications, Special Issue on Ad hoc Networks, vol. 17, no. 8, August R. Lin and M. Gerla: Adaptative clustering for mobile wireless networks. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 15, no. 7, September R. Sivakumar, P. Sinha and V. Bharghavan: CEDAR: a coreextraction distributed ad hoc routing algorithm. IEEE Journal of Selected Areas in Communication, Special Issue on Ad hoc Networks, vol. 17, no. 8, August Mingliang Jiang, Jinyang Li and Y. C. Tay: Cluster based routing protocol: functional specification. Internet Draft, MANET Working Group, draft-ietf-manet-cbrp-spec-1.txt, July Work in progress. 18. Ramanathan and M. Steenstrup: Hierarchically-organized, multihop mobile wireless networks for quality-of-service support. ACM/Baltzer Mobile Networks and Applications, vol. 3, no. 1, J. Khun-Jush, G. Malmgren, P. Schramm and J. Torsner: HIPERLAN type 2 for broadband wireless communication. Ericsson Review, vol.77, Jean-Pierre Hubaux, Thomas Gross, Jean-Yves Le Boudec and Martin Vetterli: Toward Self-Organized Mobile Ad Hoc Networks: The Terminodes Project. IEEE Communications Magazine, January

70 Interfaces de voz para el entorno domótico Ana Isabel Obregón Cuesta, David Hernando Carro Telefónica Investigación y Desarrollo Actualmente existe una tendencia mundial de implantación de las nuevas tecnologías en el entorno residencial. En este contexto surge el control automático de la vivienda, o domótica, como método para mejorar la calidad de vida de los usuarios, su confort y seguridad. De entre todas las posibles formas de acceso al control domótico destaca el acceso telefónico. Mediante el desarrollo de un servicio vocal VoiceXML integrado en una plataforma residencial, y que se ejecuta a través de la plataforma IVLM, se ha implementado una interfaz de voz para el control del entorno domótico que permite al usuario acceder desde cualquier teléfono fijo o móvil a su vivienda, y, a través de su voz, conocer y controlar el estado de diferentes dispositivos del hogar, dialogando en lenguaje natural con el sistema. Este sistema también permite recibir información vocal sobre las alarmas que se produzcan en la vivienda del usuario. INTRODUCCIÓN En la actualidad nos encontramos inmersos en un nuevo estadio de desarrollo social al que llamamos Sociedad de la Información, y que se caracteriza principalmente por la gran capacidad que tienen sus integrantes de acceder a la información. En este entorno se produce una introducción progresiva de las nuevas tecnologías en oficinas, industrias y hogares. Los sistemas domóticos surgen necesariamente como una forma de acercamiento de la Sociedad de la Información al entorno residencial. La domótica se basa en aplicar la tecnología de la automatización y el control al hogar. Se puede definir como el conjunto de servicios de la vivienda proporcionados por sistemas tecnológicos integrados, enfocados a mejorar la calidad de vida de los usuarios, aumentando la seguridad, la comunicación y el confort, y que permiten al mismo tiempo reducir el consumo energético. Activar o desactivar las luces de las distintas habitaciones de la vivienda, encender la calefacción, recibir alarmas al detectarse una fuga de gas o consultar si el sistema de riego está activado, son algunas de las funciones integradas en un sistema domótico. La red domótica o de control de dispositivos del hogar convive en la vivienda con otro tipo de redes interiores, como es el caso de las redes de entretenimiento y de comunicaciones, y la comunicación de todas estas redes interiores con el exterior se realiza a través de distintas redes de acceso que llegan hasta la vivienda del abonado. El control domótico se puede realizar mediante pulsadores o mandos a distancia desde distintos lugares de la vivienda, o bien desde fuera de ella a través de Internet o a través del envío de mensajes cortos desde un teléfono móvil. Sin embargo, la forma de comunicación más eficiente, natural e intuitiva para el hombre siempre ha sido y sigue siendo el habla. De esta forma el teléfono se convierte en el elemento estrella, 71

71 el preferido por los usuarios para actuar sobre su vivienda a través de la voz. Gracias a la interfaz de voz para el entorno domótico, un individuo puede acceder al control de su hogar marcando un número de teléfono, desde cualquier terminal telefónico fijo o móvil, y dialogar mediante su voz con un sistema automático. Este sistema interpreta las peticiones del usuario y las traduce en órdenes sobre los distintos dispositivos, le informa del estado de los mismos y le proporciona ayuda y guía si es necesario. Para el usuario supone un gran avance, sobre todo en lo que se refiere a comodidad, el hecho de poder comunicarse con una máquina mediante su voz. Con la utilización de un reconocedor de lenguaje natural la comunicación será más intuitiva y natural, ya que el usuario puede expresarse libremente en su idioma, siempre dentro de un contexto, y el sistema es capaz de entender lo que quiere decir, llevando a cabo las acciones indicadas. El diálogo vocal entre el sistema y la persona se ha desarrollado en lenguaje VoiceXML y permite, mediante la plataforma IVLM, acercar al servicio vocal la facilidad y potencia en el manejo de contenidos de los servicios del mundo Web. El usuario puede así navegar mediante su voz, haciendo uso de la tecnología del habla, a través de los distintos contenidos del control de su vivienda domótica. Mediante la interfaz vocal el usuario puede también recibir mensajes de alarma en su teléfono particular, y estar así informado de cualquier anomalía que ocurra en su propiedad, como un escape de gas, una inundación o la presencia de algún intruso. Figura 1. Demostrador de Vivienda Inteligente en Boecillo 72

72 Con el objetivo de aumentar la seguridad del sistema se incorporan como control de acceso técnicas de verificación de locutor, que permiten determinar si una persona es quien dice ser a través del análisis de su voz. El usuario se asegura así de que sólo las personas autorizadas pueden acceder al control domótico de su vivienda, evitando el acceso de intrusos. La interacción entre el hombre y la máquina mediante la interfaz vocal es posible mediante el uso intensivo de las tecnologías del habla desarrolladas en Telefónica I+D, en especial el conversor texto a voz y el reconocedor vocal. Además, se han incorporado los últimos avances tecnológicos desarrollados en este ámbito, como son el reconocedor en lenguaje natural y la verificación del locutor. PLATAFORMAS UTILIZADAS Para hacer posible el acceso al entorno domótico mediante una interfaz vocal, además de implementar el servicio que gestiona el diálogo entre el usuario de la vivienda y el sistema, se han integrado varias plataformas y los elementos más avanzados en tecnología del habla, todos ellos desarrollados en Telefónica I+D. El centro de Telefónica I+D en Boecillo (Valladolid) dispone de un demostrador que simula de forma muy real una vivienda inteligente. Se pretende que este entorno sirva tanto como banco de pruebas de tecnologías y servicios como de escaparate o demostrador de los mismos, y permita comprobar el funcionamiento de la interfaz vocal para el control domótico de una forma muy visual (ver la Figura 1). La plataforma residencial instalada en la vivienda inteligente implementa una red de cliente que incluye como elemento fundamental una red domótica. El acceso telefónico al sistema de control domótico se ha conseguido integrando en él un servicio VoiceXML al que se accede mediante la plataforma IVLM. La plataforma pasarela residencial En el entorno doméstico, los dispositivos del hogar controlados por la red domótica conviven y deben interoperar con elementos que pertenecen a otros tipos de redes internas, como son las redes de comunicaciones o de entretenimiento. A su vez, todas estas redes internas interaccionan con el exterior a través de diferentes redes de acceso. Como nexo de unión entre ambas se encuentra la pasarela residencial, encargada de recibir señales de las distintas redes de acceso y transferirlas a las redes internas, y viceversa (ver la Figura 2). La pasarela residencial instalada en el centro de Boecillo de Telefónica I+D integra en un entorno de PC una subred de comunicaciones, dos subredes domóticas, una subred de control y una subred de entretenimiento con varias redes de acceso. La red domótica contempla la integración con varios estándares domóticos: X10, Lonworks, Fagor, EIB, etc. Por tanto, pueden existir en el sistema dispositivos de distintos estándares y actuar sobre todos ellos, de forma que el usuario no necesita saber a qué estándar pertenece cada dispositivo. Visa Redes de acceso Subred domótica o de control (PowerLine) xdsl Wireless FTTx Subred de entretenimiento Pasarela residencial Figura 2. Esquema de la pasarela residencial y las subredes del hogar Subred de comunicaciones 73

73 La pasarela residencial comunica la red domótica y el resto de las redes internas con el exterior a través de las redes de acceso, mediante distintas interfaces como son: Internet, mensajes cortos o WAP. Por otro lado, la interfaz vocal va a permitir utilizar para el control domótico una red de acceso tan común en la gran mayoría de las viviendas como es la red telefónica, fija o móvil. Mediante la marcación de un número telefónico, la información y el control de la vivienda estarán disponibles para el usuario en cualquier lugar. Esto amplía el paradigma de la Sociedad de la Información en el entorno doméstico, ya que no sólo se podrá acceder a la información remota a través de Internet desde la vivienda, sino que la información de la propia vivienda estará accesible desde cualquier lugar remoto, siempre que se disponga de un terminal telefónico. Arquitectura del sistema de control domótico La arquitectura software de la pasarela residencial desarrollada en Telefónica I+D tiene como objetivo conseguir la máxima modularidad y escalabilidad del sistema, facilitando el desarrollo e incorporación de nuevos servicios y accesos. En la Figura 3 se representa la arquitectura adoptada. Los elementos fundamentales de la arquitectura de referencia propuesta son: El Proceso Principal de Control (PPC) El PPC es el encargado de gestionar el funcionamiento global del equipo pasarela, así como de coordinar el funcionamiento de todos los procesos, Pasarela comunitaria PPC PF1 PF2 PF3 PFn Pasarela residencial PCH1 PCH2 PCHn PCH1 PCH3 PCHn PCH1 PCH2 Figura 3. Arquitectura de referencia del sistema de control domótico tanto funcionales (PF) como de control hardware (PCH). Los Procesos Funcionales (PF) Estos procesos son los encargados de gestionar las distintas funcionalidades ofrecidas por el sistema (control de dispositivos, supervisión y transmisión de alarmas). Se comunican con el PPC mediante un protocolo único, para enviar y recibir peticiones de actuación sobre equipos y señales de alarma. Este protocolo de comunicación debe ser lo suficientemente flexible como para permitir incorporar nuevas entidades funcionales sin modificar el PPC. Los Procesos de Control Hardware (PCH) Son los encargados de comunicarse con los equipos hardware de acceso y control del sistema. Estos procesos actúan como interfaces entre los equipos hardware y los procesos funcionales, adaptando los distintos protocolos específicos de comunicación de cada uno a un protocolo común de comunicación con los servidores funcionales. Así, pues, su función es independizar el funcionamiento del sistema de los distintos accesos hardware. La comunicación entre los distintos elementos expuestos se realiza a través de sockets TCP/IP, pudiendo ejecutarse todos en una misma máquina o de manera distribuida en una red TCP/IP. En el entorno de la pasarela residencial se denomina entidad funcional al proceso o conjunto de procesos que llevan a cabo una función específica dentro del sistema. La entidad funcional normalmente está dividida en dos tipos de procesos: el proceso funcional o de gestión, que realiza todas las funciones que son independientes del hardware, y el proceso de control hardware, que se encarga del control de éste. En la arquitectura mostrada es posible una sencilla incorporación de nuevas entidades funcionales, consistente únicamente en la creación de los procesos correspondientes (PF y PCH) que cumplan con los protocolos de comunicación definidos. Para hacer posible el acceso telefónico al sistema se implementa una nueva entidad funcional denominada entidad funcional de control y acceso vocal. El diseño descrito permite la posibilidad de adaptar la arquitectura a entornos multiusuario (comunidades de vecinos, hoteles, etc.) que compartan el equipo que actúa de pasarela comunitaria, la cual se encarga de 74

74 gestionar los PCH de cada vivienda. El modelo multiusuario se puede aplicar incluso a proveedores de servicios que ofrezcan éstos a través de la red, como es el caso de Telefónica, residiendo el equipo pasarela comunitaria en algún nodo de la red. La plataforma IVLM El Intérprete Vocal de Lenguaje de Marcas (IVLM) es el nombre que recibe el navegador o browser vocal desarrollado por Telefónica I+D para el lenguaje VoiceXML. Un navegador vocal es un elemento de la red telefónica equipado con un software específico que permite a cualquier usuario de un determinado teléfono, sin capacidades especiales, el acceso a la información disponible en Internet. Las páginas de Internet a través de las que se puede navegar por voz (audiopáginas) están escritas en un lenguaje específico, teniendo en cuenta que el escenario es únicamente acústico y muy diferente al escenario visual al que estamos acostumbrados a utilizar en Internet mediante páginas HTML. En este escenario acústico la información es proporcionada al usuario mediante conversión texto a voz o locuciones pregrabadas, y el usuario debe interactuar con su voz mediante el uso del reconocimiento vocal o mediante la pulsación de tonos DTMF. El lenguaje que hace posible desarrollar estas audiopáginas, y en el que se basa el navegador IVLM, es el VoiceXML. Una aplicación VoiceXML está compuesta de un conjunto de audiopáginas escritas en este lenguaje y relacionadas entre sí de forma que los usuarios pueden navegar por ellas. Cada página VoiceXML está formada por uno o varios diálogos. La ejecución de la página consiste en el recorrido de los diversos diálogos que existan, y, posiblemente, algún tipo de salto entre ellos a otra página o dentro de la propia página. Un diálogo describe la interacción entre el usuario y la máquina, y decide cual será el siguiente diálogo en función de la acción realizada por el usuario. Las posibles acciones o entradas que puede realizar el usuario, ya sea mediante reconocimiento de voz o por detección de tonos DTMF, se conocen como gramáticas. La primera implementación del acceso vocal en el sistema domótico consistía en un portal de voz basado en habla aislada mediante el cual el sistema guiaba al usuario, el cual podía navegar a través de su voz por las distintas habitaciones o dispositivos de su vivienda y solicitar que se realizaran acciones sobre ellos. Toda la navegación estaba guiada por la aplicación, que esperaba reconocer en cada momento una palabra de entre un subconjunto limitado, ya que utilizaba gramáticas de habla aislada. En la versión definitiva del acceso vocal al sistema domótico, también llamado portal de voz de habla natural, gracias a la utilización del reconocedor de habla continua, las gramáticas implementadas en las páginas VoiceXML son gramáticas complejas, basadas en el estándar JSGF, que permiten al usuario utilizar vocabularios y expresiones amplios y flexibles, de forma que el sistema sea capaz de reconocer varios formatos de frases y varias peticiones del usuario en una misma "recogida" de voz. Al ampliarse las posibilidades de lo que el usuario puede decir, se ha podido desarrollar un sistema mucho más flexible, en donde es el usuario, y no la máquina, quien tiene el control del diálogo en todo momento. En la Figura 4 se muestra la arquitectura de la plata- Internet Servidor de aplicaciones VoiceXML Nodo de Servicios (NdS) CTV EDIRSE RDV Servidor web PROXY Caché IVLM BD Intérprete VoiceXML Figura 4. Arquitectura de la plataforma IVLM 75

75 forma IVLM. IVLM utiliza como plataforma de implementación telefónica el Nodo de Servicios (NdS) desarrollado por Telefónica I+D, que en los últimos años se ha venido consolidando como la plataforma de provisión de servicios telefónicos avanzados en las distintas operadoras del Grupo Telefónica. En él residen los recursos del habla de los que hacen uso las aplicaciones VoiceXML: el conversor texto a voz (CTV) y el reconocedor vocal (RDV) tanto de habla aislada como de habla natural. Como nexo entre el intérprete VoiceXML y el NdS se utiliza una lógica o tratamiento de llamada desarrollada con la plataforma EDIRSE (Entorno de Desarrollo e Implantación Rápida de Servicios) que recibe órdenes del intérprete sobre el manejo de los recursos de voz, y, en sentido contrario, comunica al intérprete la información recibida del usuario o los eventos que se producen en la interacción. IVLM utiliza una base de datos propia para gestionar las asociaciones entre el número de teléfono marcado y la URL en la que reside la aplicación VoiceXML asociada a dicho número. La base de datos almacena registros de uso de las aplicaciones que servirán después al navegador para proporcionar estadísticas de uso de los servicios. IVLM integra un servidor web que le permite acceder mediante conexiones HTTP a las páginas VoiceXML disponibles en Internet. El intérprete VoiceXML está implementado en sí mismo como un servicio web codificado en lenguaje Java, e incluye, como cualquier intérprete, un analizador léxico y sintáctico que comprueba que las páginas a interpretar se ajustan al estándar VoiceXML, así como un generador de acciones que envía hacia el NdS los comandos y datos necesarios para la ejecución de un determinado diálogo. Tecnología del habla La riqueza de la interfaz vocal en los sistemas domóticos se basa en gran medida en la tecnología del habla en la que se apoya, la cual ha sido desarrollada en Telefónica I+D y está reconocida mundialmente como un marco de referencia en el idioma castellano. Los productos más importantes utilizados son: El conversor texto a voz, que permite convertir a voz cualquier texto escrito con una alta inteligibilidad y naturalidad. La información que se proporciona a cada usuario es totalmente dinámica, ya que depende de los datos de su vivienda particular, que pueden cambiar en cualquier momento al añadir o eliminar algún dispositivo para el control domótico. Por esta razón sería muy costoso y casi imposible ofrecer grabaciones de locutores profesionales, perfilándose la tecnología de conversión texto a voz como la más óptima. El reconocedor de lenguaje natural, que constituye un gran avance en la tecnología del habla. El usuario puede hablar al sistema de forma natural en su idioma, como lo haría con otra persona, y el sistema debe ser capaz de reconocer y entender lo que ha dicho. La principal ventaja es que el diálogo entre el usuario y la máquina no es rígido y guiado por la máquina, como ocurre en los servicios vocales tradicionales, sino que es un diálogo más natural, gracias al cual el usuario tiene mayor poder de decisión para navegar por los contenidos que más le interesen. La verificación del locutor, que tiene como objetivo verificar la identidad de una persona utilizando únicamente su voz. Previamente, el usuario de la vivienda debe entrenar al sistema de verificación contestando mediante su voz y de forma natural a unas preguntas. Así, el sistema dispondrá de un modelo estadístico del usuario con el que comparará la voz de cualquier usuario que pretenda acceder, mediante la interfaz vocal, al control domótico de su vivienda. El reconocimiento de tonos DTMF, que permite al usuario, en entornos ruidosos en los que el reconocimiento vocal sea crítico, introducir las órdenes que desea enviar al sistema mediante la pulsación de tonos desde su terminal. LA INTERFAZ VOCAL COMO ENTIDAD FUN- CIONAL DEL SISTEMA DE CONTROL DOMÓTICO Según se ha avanzado al mostrar la arquitectura del sistema, se puede considerar que el servicio que hace posible el control domótico mediante la voz del usuario es una nueva entidad funcional de la pasarela residencial. La Figura 5 ilustra esta idea y la integración con la plataforma IVLM. En el entorno del sistema domótico, una entidad fun- 76

76 Pasarela comunitaria Proceso Principal de Control (PPC) Proceso Funcional de Acceso Vocal Sockets RMI Proceso de Control Hardware (PCH) Escucha PF Alta/Fin PCH Escucha alarmas Acceso IVLM Servidor web Servlets Páginas VoiceXML Nodo de Servicios (NdS) EDIRSE Servidor web IVLM BD ECAV Servidor web SRH PROXY Intérprete VoiceXML BDCV CAL Caché Figura 5. Entidad funcional de control y acceso vocal cional lleva a cabo una función específica dentro del sistema, que consiste en permitir el control domótico de la vivienda del usuario mediante una llamada telefónica. La entidad funcional normalmente está dividida en dos tipos de procesos: el Proceso Funcional (PF) o de gestión, que realiza todas las funciones que son independientes del hardware, y el Proceso de Control hardware (PCH), que se encarga del control de éste. Al contrario de lo que ocurre en otras entidades funcionales, en este caso no hay un PCH por vivienda o pasarela residencial, ya que éste no controla directamente ningún equipo hardware instalado en la vivienda. Un único PCH de acceso vocal instalado en el servidor web de la pasarela comunitaria permite conectar el PF con la plataforma vocal, IVLM. En la Figura 6 se muestran los distintos protocolos empleados en la comunicación entre los nodos implicados en el sistema. El Proceso Principal de Control (PPC) y el Proceso Funcional (PF) pueden residir en la misma máquina, en la pasarela comunitaria. La comunicación entre ambos elementos se realiza mediante conexiones TCP/IP. El Proceso de Control Hardware (PCH) está compuesto por una serie de servlets y páginas VoiceXML, y puede residir en la misma máquina que los anteriores (pasarela comunitaria), o bien en otra máquina con TCP/IP TCP/IP sockets PPC PF PCH IVLM RMI HTTP Figura 6. Protocolos de comunicación entre los nodos 77

77 un servidor web (pasarela vocal), en la misma red que la anterior, y con la que se comunica vía TCP/IP. El PCH se comunica con el PF mediante dos mecanismos: 1. Los sockets TCP/IP. Para la recepción de alarmas y para la inicialización y finalización del PCH. 2. Los objetos RMI. Se utiliza el intercambio de mensajes mediante objetos RMI para consultar el estado o solicitar acciones sobre dispositivos en las viviendas. Por otro lado, el PCH y la plataforma IVLM se comunican mediante peticiones HTTP, por lo que ambos deben disponer de un servidor web. En este escenario, el PCW implementa la función de servidor de contenidos VoiceXML a los que accede la plataforma IVLM para ejecutar el servicio. Con objeto de aumentar la seguridad del sistema, se han incorporado técnicas de verificación del locutor, que permiten determinar si una persona es quien dice ser a través del análisis de su voz. Para implementar esta funcionalidad se utiliza la plataforma expendedora de certificados de voz, compuesta por el Entorno de Caracterización y Análisis de la Voz (ECAV) y el Componente de Autenticación del Locutor (CAL). FUNCIONAMIENTO DEL ACCESO VOCAL AL SISTEMA DOMÓTICO Mediante la interfaz vocal desarrollada es posible acceder y controlar el sistema domótico de la vivienda a través de una llamada, desde un teléfono móvil o fijo, al número de teléfono que el proveedor del servicio haya proporcionado previamente al usuario. Este número telefónico será único por cada pasarela comunitaria, y lo compartirán todos los usuarios de viviendas controladas por el mismo PPC (Proceso Principal de Control). En la base de datos del IVLM se habrá asociado dicho número a la dirección web de la aplicación VoiceXML alojada en el servidor web de la plataforma comunitaria que gestiona la vivienda del usuario. El diálogo comienza con un mensaje de bienvenida al usuario, solicitándole a continuación su nombre para verificar su identidad, comparando su voz con el certificado vocal y decidiendo si se trata de un usuario autorizado o si se trata de un intruso. Se dispone de tres intentos para verificar al usuario, pasados los cuales se rechaza la llamada. En el caso de no verificarse la voz del usuario, el diálogo que se produce entre el usuario y el servicio sería similar al siguiente: Servicio: Para acceder al portal de voz de control domótico es necesaria verificación de voz. Introduce tu nombre. Usuario: Javier Sánchez. Servicio: La verificación ha resultado incorrecta. Introduce tu nombre. Usuario: Javier Sánchez. Servicio: La verificación ha resultado incorrecta. Introduce tu nombre. Usuario: Javier Sánchez. Servicio: No he podido verificar tu voz, por lo que se finaliza el servicio. Hasta luego. En el caso de que se haya autenticado correctamente la identidad del usuario, se solicita el nombre de la vivienda, ya que como se ha descrito la aplicación será común a todos los usuarios que compartan la misma pasarela comunitaria, y además un usuario podrá tener acceso al control domótico de varias viviendas. Una vez indicada la vivienda a la que desea acceder, se puede decir que el usuario está virtualmente dentro de la vivienda, y el servicio pregunta al usuario qué desea hacer, existiendo tres posibles peticiones por parte del usuario: 1. Solicitar un listado de las alarmas, los dispositivos o los diferentes tipos de dispositivos susceptibles de ser controlados. 2. Consultar el estado de todos los dispositivos de un determinado tipo, de un dispositivo específico o de una alarma. Se pueden solicitar varias consultas en una misma "recogida" de voz. 3. Actuar sobre todos los dispositivos de un determinado tipo, sobre un dispositivo específico o sobre una alarma. En una misma "recogida" de voz se pueden realizar varias peticiones. Además de estas posibilidades, el usuario puede controlar, en cualquier momento durante la llamada, la navegación por el portal de voz del sistema domótico, 78

78 pudiendo realizar las siguientes peticiones: Ir al inicio de la aplicación. Antes de realizarse se solicitará confirmación. Salir de la aplicación. Antes de realizarse se solicitará confirmación. Regresar al diálogo anterior al actual. Una vez presentadas las características generales de la navegación por el portal de voz, la forma más inmediata e intuitiva de comprender el funcionamiento del acceso vocal al sistema domótico es a través de un ejemplo como el siguiente: Supongamos que una persona se encuentra fuera de su hogar y se percata de que ha dejado algún dispositivo de la casa encendido (luces, lavadora, televisor, etc.), o que olvidó apagar el riego o bajar las persianas (en la Figura 7 se ilustra este ejemplo). En ese momento el usuario realiza una llamada al servicio, produciéndose un diálogo similar al siguiente: Servicio: Para acceder al portal de voz de control domótico es necesaria verificación de voz. Introduce tu nombre. Usuario: David Hernando. (El sistema verifica correctamente la voz del usuario) Servicio: Bienvenido al portal de voz de control domótico. Di la vivienda a la que deseas acceder. Usuario: Boecillo. Servicio : Qué acciones quieres realizar? Usuario: Deseo conocer el estado de las luces, el televisor y la persiana. Servicio: El estado de los dispositivos del tipo "las luces" es: luz terraza apagada, luz dormitorio infantil encendida, luz jardín apagada, luz cocina encendida, luz dormitorio apagada, luz salón apagada y luz despacho encendida. El televisor está activado. La persiana está subida. Qué acciones quieres realizar? Usuario: Cómo están las alarmas de vigilancia, agua y gas? Figura 7. Ejemplo de utilización del sistema domótico Servicio: Las alarmas de vigilancia están desactivadas. Las alarmas de agua están activadas. Las alarmas de gas están activadas. Qué acciones quieres realizar? Usuario: Quiero apagar las luces y el televisor, bajar la persiana y activar las alarmas de vigilancia. Servicio: He entendido que deseas apagar las luces, el televisor, bajar la persiana y activar vigilancia. Es correcto? Usuario: Sí. Servicio: El resultado de la acción "apagar luces" es: luz terraza ya estaba apagada, luz dormitorio infantil se ha apagado, luz jardín ya estaba apagada, luz cocina se ha apagado, luz dormitorio ya estaba apagada, luz salón ya estaba apagada y luz despacho se ha apagado. El televisor se ha desactivado. La persiana se ha bajado. Las alarmas del tipo vigilancia se han activado. Qué acciones quieres realizar? Usuario: Salir. Servicio: Quieres abandonar la aplicación? Usuario: Sí. Servicio: Gracias por utilizar este servicio. Hasta luego. Como se puede comprobar en el ejemplo presentado 79

79 el diálogo es muy natural y fluido, gracias a la utilización del lenguaje natural y de gramáticas en formato JSGF, y no da la impresión de estar hablando con una máquina. En este ejemplo se ha considerado que el servicio reconocía todas las peticiones del usuario en la primera interacción, y que el usuario conocía el funcionamiento del servicio y cómo tenía que contestar en cada momento de la navegación. Sin embargo, puede ser que el usuario desconozca el funcionamiento del servicio o que éste no reconozca la petición del usuario debido a condiciones ambientales adversas o cualquier otra circunstancia. En estas situaciones el servicio indicará al usuario que no ha reconocido lo que éste ha dicho y volverá a pedir los datos, indicando al usuario con mayor precisión lo que debe decir, guiando la navegación. El siguiente fragmento de diálogo recrea estas circunstancias: Servicio: Qué acciones quieres realizar? Usuario: (Silencio) Servicio: No he oído bien. Podrías repetir las acciones a realizar? Usuario: Encender la lámpara del comedor. Servicio: No he entendido. Al no haber reconocido tu petición, paso a pedir los datos por partes. Indica los dispositivos, tipos de dispositivos o alarmas sobre los que deseas actuar. Usuario: Encender la lámpara del comedor. Servicio: Puedes consultar los dispositivos, tipos de dispositivos o alarmas disponibles diciendo lista dispositivos, lista tipos o lista alarmas, respectivamente. Usuario: Lista dispositivos. Servicio: Los dispositivos disponibles son: luz terraza, toldo, cristal polarizable, lavadora, válvula de agua, luz cocina, luz regulable salón, televisor, flor salón, luz salón, cerradura, persiana, luz despacho, juguete, luz dormitorio infantil, riego jardín, luz jardín y luz dormitorio. Indica los dispositivos, tipos de dispositivos o alarmas sobre los que deseas actuar. Usuario: Luz del salón. Servicio: Indica la acción a realizar sobre "luz del salón". Usuario: Encender. Servicio: He entendido que deseas encender "luz del salón". Es correcto? En el caso de haber reconocido sólo uno de los dos datos necesarios para realizar la acción, el nombre del dispositivo sobre el que deseaba actuar o la acción a realizar, el servicio preguntaría por el otro dato. Otro aspecto a tener en cuenta es aquel donde no se reconoce correctamente la acción a realizar. En el caso de haber realizado varias peticiones, se realiza la pregunta una por una, como se muestra en el siguiente diálogo: Servicio: He entendido que deseas apagar el televisor, bajar la persiana y activar vigilancia. Usuario: No. Servicio: Quieres apagar el televisor? Usuario: Sí. Servicio: Quieres bajar la persiana? Usuario: Sí. Servicio: Quieres activar vigilancia? Usuario: No. Servicio: El televisor se ha desactivado. La persiana ya estaba bajada. Existe un tipo especial de acciones, las acciones temporizadas, que son las que se ejecutan durante un periodo de tiempo. El usuario puede indicar directamente la duración deseada, o en el caso de no indicarlo es el propio servicio el que pregunta cuánto tiempo desea el usuario que se realice la acción pedida. Los dos posibles diálogos se presentan a continuación: Primer diálogo: Servicio: Qué acciones quieres realizar? Usuario: Quiero activar "el riego jardín" durante 1 80

80 hora, 20 minutos y 40 segundos. Servicio: He entendido que deseas activar "el riego jardín" durante 1 hora, 20 minutos y 40 segundos. Es correcto? Segundo diálogo: Servicio: Qué acciones quieres realizar? Usuario: Quiero activar "el riego jardín". Servicio: He entendido que deseas activar "el riego jardín". Es correcto? Usuario: Sí. Servicio: Cuánto tiempo quieres activar "el riego jardín"? Usuario: 1 hora, 20 minutos y 40 segundos. Servicio: He entendido que deseas activar el riego jardín durante 1 hora, 20 minutos, y 40 segundos. Es correcto? Por último, cabe destacar que el sistema también proporciona información a través de la interfaz vocal sobre las alarmas que se producen en la vivienda. Si el usuario tiene activada la opción de recibir un aviso vocal cuando se produce un tipo de alarma, por ejemplo las alarmas de gas, y se detecta una fuga de gas, el servicio realiza una llamada saliente hacia el teléfono del usuario para indicarle la alarma o incidencia que ha ocurrido en la vivienda. El mensaje que el servicio envía al usuario, en este caso, sería el siguiente: Servicio: Se ha detectado una fuga de gas en su casa. Una vez que han sido presentados los ejemplos más significativos de utilización del servicio, hay que resaltar el esfuerzo realizado para que el diálogo entre el usuario y el sistema sea lo más amigable y flexible posible, con el objeto de conseguir una aceptación masiva del servicio por parte de los usuarios. CONCLUSIONES La integración de las dos plataformas desarrolladas en Telefónica I+D, como son IVLM y la pasarela residencial, junto con la utilización de los últimos avances en tecnología del habla, también implementados en Telefónica I+D, como el reconocedor de voz en lenguaje natural y la verificación del locutor, han hecho posible desarrollar un sistema que permite al usuario acceder a su vivienda mediante una llamada telefónica, y consultar a través de su voz el estado de algunos dispositivos como la luz, el riego o las persianas, actuar sobre ellos enviando órdenes, y recibir en su teléfono una llamada avisándole de que en su hogar se ha activado una alarma, y todo ello dialogando con el sistema de forma natural, como si no hablara con una máquina sino con una persona. Las principales características que se pueden destacar de la interfaz vocal para el control domótico son: Restricción del acceso a las viviendas de los usuarios mediante la comprobación de su voz, evitando el acceso de intrusos a través de la utilización de las técnicas de verificación del locutor. Establecimiento de un diálogo fluido entre el usuario y el sistema natural, el cual esta basado en reconocimiento del habla natural. Por tanto, el usuario tiene así el control del diálogo, pudiendo navegar entre los distintos dispositivos de su vivienda, consultar su estado y enviar órdenes para que el sistema domótico actúe sobre ellos. Posibilidad de recibir llamadas en un teléfono previamente configurado que informen de forma vocal sobre las alarmas producidas en la vivienda. El mercado potencial de las redes domóticas para usuarios residenciales es inmenso, por lo que los desarrollos similares al mostrado en este artículo ayudarán a Telefónica a posicionarse en un lugar preferente en este mercado, el cual se prevé que crezca en los próximos años y que está destinado a la larga al gran público. Estos desarrollos facilitarán también la integración de las redes domóticas con las plataformas telefónicas. 81

81 Glosario de Términos y Acrónimos Audiopáginas BDCV CAL CTV ECAV EDIRSE HTTP IVLM NdS Elementos que constituyen las aplicaciones VoiceXML. Base de Datos de Certificados de Voz Componente de Autenticación del Locutor Conversor Texto a Voz Entorno de Caracterización y Análisis de la Voz Entorno de Desarrollo e Implementación Rápida de Servicios HyperText Transfer Protocol Intérprete Vocal de Lenguaje de Marcas Nodo de Servicios. Plataforma desarrollada por Telefónica I+D para la prestación de servicios telefónicos avanzados. PCH PF PPC RDV RMI SRH TCP/IP VoicXMLe xdsl Proceso de Control Hardware Proceso Funcional Proceso Principal de Control Reconocedor de Voz Remote Method Invocation Servidor de Recursos del Habla Transmission Control Protocol/Internet Protocol Voice extensible Markup Language. Lenguaje de marcas para el acceso vocal a contenidos en Internet. x Digital Subscriber Line Bibliografía 1. Juan Calero González, Carlos Rodríguez Colino, José Ángel Villaverde Pastor, Mario Pérez Marco, Ana María Ojeda Dopico y Pedro Díaz Romero: Acceso vocal a contenidos de Internet: Plataforma IVLM. Comunicaciones de Telefónica I+D, número 20, marzo Enrique Menduiña Martín, Olga Corral Ramos, Ana Altadill Arregui, Víctor Manuel García Muñoz y Pedro Lizcano Martín: Redes de cliente y pasarela residencial., número 19, diciembre Voice extensible Markup Language: VoiceXML. VoiceXML Forum. Versión 1.0, 07/03/2000: 4. Java Speech Grammar Format Specification. Sun Microsystems. Versión 1.0, 26/10/98: java.sun.com/products/java-media/speech/fordevelopers/jsgf/ 82

82 M2M o cómo aplicar movilidad a la telemática: Actores y posibles escenarios José Luis Martín Peinado, José Antonio Rodríguez Fernández Telefónica Investigación y Desarrollo Este artículo analiza cuáles son las razones que justifican el interés creciente en el concepto de "machine-to-machine" (M2M) o comunicación entre máquinas: qué novedades aporta, y hasta qué punto puede estimarse su desarrollo futuro al extrapolar el impacto que ha tenido la utilización de las Tecnologías de la Información en diversos ámbitos. La problemática asociada al despegue de este nuevo uso de la tecnología se aborda desde distintos puntos de vista: el del operador, el de la empresa que hace uso de M2M y, por último, el del consumidor final. En primer lugar, el operador ha de hacer frente a nuevos retos derivados de la implantación de M2M, análogos a los de cualquier otro tipo de innovación. El desconocimiento "a priori" del impacto económico futuro, los modelos de negocio que triunfarán, o cómo enfocar sus servicios a fin de retener el mayor valor posible en las aplicaciones de M2M, son cuestiones que se analizarán en este artículo. En segundo lugar, las empresas de los diversos sectores de actividad juegan un papel de vital importancia: por una parte son las responsables últimas de identificar el valor que aporta M2M en su negocio, y por otra han de hacer una utilización eficiente de dicho negocio en la integración con sus actuales máquinas y sistemas de información. El artículo evalúa los principales condicionantes de las empresas en la decisión de utilizar M2M. Por último, hay que considerar un aspecto que será probablemente el más importante: el consumidor final se verá afectado por la utilización de M2M en diversos ámbitos de su vida cotidiana, pero no sólo será eso, ya que en muchas ocasiones la decisión de utilizar la comunicación M2M en las empresas se verá afectada por la aceptación por parte del consumidor de los bienes que sean de su dominio. INTRODUCCIÓN En los últimos tiempos más que nunca, las necesidades de comunicación de las personas, unido al desarrollo de las Tecnologías de la Información, han propiciado revoluciones como la de Internet o la producida por la difusión de las comunicaciones móviles. Las consecuencias en los diversos ámbitos sociales y económicos son innegables, y suponen cambios que van desde la creación, destrucción y transformación de actividades y sectores económicos, a la modificación de los hábitos de interacción social de las personas. De un tiempo a esta parte, diversos estudios y análisis 83

83 vaticinan una nueva revolución relacionada con esta necesidad de obtención de información y con la continua evolución de la tecnología informática y de comunicaciones: M2M (machine-to-machine), o comunicación entre máquinas. La necesidad que subyace en este caso es la de obtener información sobre el estado de los diferentes activos utilizados en los procesos productivos de las empresas, o en controlar su comportamiento, siendo ésta una necesidad que crece conforme la capacidad de actuación de forma automática de las máquinas y otros bienes aumenta. Desde un punto de vista estricto, se puede negar la novedad del concepto M2M, puesto que el ámbito de la telemática coincide con el de esta definición. Sin embargo, las novedades que aporta, y que a su vez limitan el concepto de M2M frente a la telemática, son las siguientes: En primer lugar, el término M2M se aplica a la comunicación entre/con máquinas que tradicionalmente no disponían de mecanismos de transmisión de datos, o de capacidad de procesamiento suficiente para ser telecontroladas (la telemática, sin embargo, habitualmente se ha centrado en aplicaciones basadas en la comunicación entre sistemas informáticos). En segundo lugar, M2M se centra en dotar de mecanismos de comunicación a máquinas que pueden ser controladas, monitorizadas y diagnosticadas automáticamente de forma local. Por último, M2M hace especial énfasis en la conectividad entre máquinas que requieren comunicaciones móviles de datos por su entorno habitual de operación (movilidad, zonas remotas o inaccesibles, etc.). RAZONES DEL USO ACTUAL DE M2M Si bien la necesidad de obtener información y controlar los recursos de las empresas ha existido desde siempre, la importancia creciente del concepto M2M se debe a una serie de factores tecnológicos y económicos que están determinando la aparición de un mercado en torno a dicho concepto (ver la Figura 1). Estos factores son los siguientes: El conocimiento por parte de los empresarios de las ventajas sostenibles y de las mejoras en la competitividad que resultan de la utilización correcta de las Tecnologías de la Información en los procesos productivos de las empresas. Por ejemplo, los beneficios que proporciona la información acerca de los aspectos claves de cada negocio, la disminución de los recursos dedicados al proceso de dicha información, etc. La disminución de costes en la incorporación de capacidades de procesamiento para la automatización y control de toda clase de bienes de equipo. A medida que el valor de la información que puede proporcionar un dispositivo sobre su estado supera el coste de dotarlo de dicha capacidad, las empresas se han ido preocupando por monitorizar sus máquinas. Lo mismo puede decirse de la automatización del funcionamiento de dichas máquinas. Coste de datos Valor de la información Inversión en M2M 2G 2,5G 3G Bluetooth tiempo Figura 1. Factores que determinan la adopción de M2M 84

84 La disponibilidad de redes de datos móviles ubicuas gracias a servicios como GPRS, o al desarrollo de tecnologías inalámbricas locales como o Bluetooth. Esta disponibilidad se ha visto favorecida también por los aspectos relativos a la reducción de costes de la tecnología de comunicaciones a que se aludía en el punto anterior. Los cambios que se han producido durante los últimos años en la forma de producir de las empresas. Conceptos como el "just in time", la descentralización de la producción o la especialización flexible, entre otros, favorecen la aparición de M2M. En conclusión, la evolución de la tecnología y su difusión están favoreciendo la adecuación de la oferta de los sistemas M2M a una demanda creciente debida a las necesidades de información de las empresas. DÓNDE ESTÁ EL NEGOCIO M2M PARA LAS EMPRESAS? Al igual que la telemática aplicada a los procesos productivos de las empresas ha favorecido la mejora de la productividad y la aparición de economías de escala en distintas actividades y sectores, se prevé que M2M mantenga esta misma tendencia. La mejora en los procesos productivos se verá reflejada tanto internamente (por ejemplo, mejoras en la gestión de stocks en el sector del vending) como de cara a los clientes, pudiendo favorecer nuevos servicios de valor añadido (tal es el caso del mantenimiento remoto y continuo de vehículos). De las características propias de M2M se deduce que entre sus principales aplicaciones se encuentran las siguientes: La telemetría. La monitorización remota. La diagnosis remota. El control de procesos y la automatización. Poder estimar la importancia de posibles nuevos servicios de valor añadido basados en M2M para los consumidores finales resulta costoso. Sin embargo, se puede intuir la importancia de M2M en los procesos internos de las empresas de diferentes sectores económicos a través de una visión aproximada del impacto que puede tener en algunos de ellos, tal es el caso de: La automoción. En este caso sería posible considerar cómo afectaría la incorporación de los módulos M2M para la diagnosis remota de los vehículos por parte de los fabricantes. Las principales ventajas serían la reducción de los tiempos y costes de las averías. Por otra parte, desde un punto de vista comercial, favorecería la fidelización de los clientes. Se estima que el tráfico de datos móvil generado por cada automóvil al año rondaría los 3,5 Mbytes, lo cual supondría unos ingresos anuales al cabo de cinco años por tráfico de datos para el operador de alrededor de 23 millones de euros, pudiendo llegar a más de 40 millones de euros pasados ocho años para un parque de 10,5 millones de vehículos con capacidades M2M (los datos se han obtenido a partir de estudios de Telefónica I+D y del análisis del tráfico de datos derivado de la diagnosis remota de un vehículo, excluyendo cualquier otro tipo de comunicaciones). Se han considerado las tarifas actuales para el tráfico de datos GPRS de Telefónica Móviles España. El "vending". Es un sector que en España factura más de millones de euros al año, existiendo un parque de más de máquinas (fuente: ANEDA). Se estima que la reducción en los costes de explotación mediante la utilización de M2M estará en torno a los 70 millones de euros anuales. Desde el punto de vista del operador, la utilización de M2M en este sector generaría un tráfico de datos móvil de unos 8,5 Mbytes al año por máquina, lo que supondría unos ingresos anuales para el parque existente de máquinas expendedoras de unos 5,5 millones de euros. El consumo por tráfico de datos de cada máquina se estima inferior a los 9 euros anuales. La electricidad y el gas. El ahorro anual para las compañías eléctricas y de gas obtenido mediante la utilización de M2M en la medición de los contadores se estima alrededor de 150 millones de euros, mientras que el coste del tráfico de datos para esta aplicación rondaría el millón de euros al año (para un tráfico derivado de la medición estimado en 0,025 Mbyte/año). Los electrodomésticos, la seguridad, el control del tráfico, la logística, los bienes de equipo y otros. Estas actividades son susceptibles de hacer uso de la comunicación M2M tanto en aplicaciones de monitorización, telemetría y diagnosis remota (mantenimiento de electrodomésticos, servicios de seguridad o logística), como en aplicaciones de 85

85 control (sistemas de control de tráfico o control de máquinas en entornos industriales). La cuantificación del impacto que puede suponer la comunicación M2M en todos estos sectores es difícil de estimar, si bien se perciben, al igual que para los casos anteriores, posibles mejoras en los procesos de las empresas involucradas en cada tipo de actividad. Algunos aspectos que matizan las perspectivas y el enfoque del negocio de M2M son: La inversión requerida. En los sectores y actividades enumeradas puede observarse que el número de módulos requeridos para las aplicaciones M2M es muy elevado. Considerando los sectores anteriormente citados, no sería exagerado esperar un número de módulos de comunicaciones superior al de abonados actuales de la telefonía móvil. Ello puede suponer a su vez unas inversiones muy elevadas para las empresas cuando la complejidad y coste asociado a los módulos son muy altos. Por ello, se considera fundamental que se reduzca el coste de los módulos de comunicaciones M2M. En esta línea, las tecnologías inalámbricas locales favorecen esta reducción de costes, aunque no reducen los volúmenes de datos transmitidos a través de la red móvil. En general, las empresas estarán más predispuestas a incorporar capacidades M2M a sus máquinas de forma paulatina y coincidiendo con la renovación de las mismas. El volumen de tráfico por módulo. Otra característica de las aplicaciones M2M es un volumen de datos reducido para cada módulo, si bien algunas aplicaciones difieren de esta regla. La relación coste-beneficio. A partir de las estimaciones presentadas anteriormente, se observa que la reducción de costes que supondrá M2M para las empresas es mucho mayor que el coste del tráfico de datos asociado a las aplicaciones M2M. Este aspecto da idea de la gran importancia de la definición correcta de los nuevos servicios M2M, así como de las políticas de precios por parte de los operadores. LOS OPERADORES MÓVILES Y LA COMUNI- CACIÓN M2M Desde la perspectiva actual, y teniendo en cuenta la importancia del papel de las comunicaciones móviles en M2M, los operadores pueden jugar un papel importante en la difusión de las aplicaciones M2M. Sin embargo, la situación actual de las empresas del sector de las telecomunicaciones puede ser importante para determinar el nivel de desarrollo que alcanzarán las aplicaciones M2M a corto y medio plazo. El sector de las telecomunicaciones, y en particular las empresas de telefonía móvil en Europa, se encuentran ante la necesidad de mantener e incrementar los retornos de inversiones aún no amortizadas en servicios como GPRS, y esperar nuevas necesidades de comunicación por parte de los consumidores, dirigidas fundamentalmente hacia los servicios de datos, que justifiquen las inversiones en las tecnologías móviles de tercera generación. Por otro lado, la limitada capacidad financiera actual de algunos operadores puede impedir el desarrollo de M2M como una nueva fuente de ingresos para los operadores. La reacción de los diversos operadores móviles europeos frente al M2M puede caracterizarse de manera: Proactiva. Se basa en la percepción de M2M como una oportunidad del operador móvil para capturar parte del valor que obtendrán las empresas mediante la utilización de M2M. Estos operadores tienen en cuenta la importancia de diseñar servicios adaptados a las necesidades de las comunicaciones M2M, manteniendo la mayor parte posible del valor en la propia red móvil. Asimismo, buscarán soluciones estandarizadas que permitan al mayor número de empresas acceder a los servicios M2M. Que los servicios relativos al M2M se puedan externalizar. Debido a la asociación de los módulos de comunicaciones M2M con los terminales móviles y a la especialización de los operadores móviles, algunos pueden ofrecer M2M a través de plataformas propietarias de terceras empresas que les faciliten la provisión de servicios M2M. Buscarán aprovechar la experiencia previa de los fabricantes de las plataformas M2M, aunque perderán parte de la capacidad para retener valor en los servicios, y dependerán del grado de aceptación (y estandarización) que lleguen a obtener dichas plataformas en el mercado. Reactiva. En algunos casos no se diseñarán servicios específicos para M2M, siendo considerados por algunos operadores como un servicio de datos más, sin segmentar el mercado. Los posibles servicios M2M ofrecidos por los operadores, en función del grado de integración de éstos con el negocio de las empresas, también se podrían clasificar en: 86

86 Servicio de datos M2M. En este caso, el operador se limita a ofrecer el servicio de datos para las aplicaciones M2M de forma indiferenciada del resto de los servicios de datos móviles. Cada empresa que desea utilizar M2M deberá desarrollarse su propia plataforma o bien adquirir una plataforma comercial. Esto obligará a las empresas (o fabricantes de las plataformas M2M) a diseñar sus propias soluciones a los problemas asociados a la transmisión de datos a través de las redes móviles, como pueden ser: mecanismos de seguridad en las comunicaciones, restablecimiento en casos de fallo en las comunicaciones mediante la utilización de diferentes portadoras, administración de su red de módulos M2M, etc. Solución de comunicaciones M2M. En este caso, el operador se preocupa única y exclusivamente de ofrecer a las empresas una solución de comunicaciones adaptada a las necesidades de las aplicaciones M2M. Es decir, el operador ofrece los mecanismos necesarios para facilitar el desarrollo de las aplicaciones M2M a las empresas. Así, incorporará aspectos de valor añadido a sus actuales servicios de datos móviles, como pueden ser: La definición y certificación de los módulos de comunicaciones M2M soportados por su servicio de comunicaciones M2M. Estos módulos incorporarán capacidades adicionales a las de un módem inalámbrico, como pueden ser: el enlace de datos transparente con las empresas, la emulación de las interfaces de datos estándares sobre TCP/IP, un restablecimiento de las conexiones automático y transparente o la utilización de múltiples portadoras de datos en función de su disponibilidad. El desarrollo de servicios para la administración de redes de máquinas de las empresas. Dado que los módulos M2M se encuentran en una red que pertenece al operador, éste podrá implementar mecanismos que permitan a las empresas administrar sus equipos de forma similar a como si se encontrasen en su propia red de datos (por ejemplo: definir subredes lógicas, asignar y modificar sus rangos de direcciones de módulos, etc.). La incorporación de mecanismos de seguridad que eviten que los fabricantes tengan que resolver problemas asociados a la seguridad en las comunicaciones mediante el uso de tecnologías como las asociadas a las Redes Privadas Virtuales (RPV). La creación de modelos de contratación y tarificación específicos, que se adapten a las características de la solución completa de las comunicaciones M2M. Soluciones particularizadas M2M. En este caso, el operador aporta a las empresas su experiencia en las comunicaciones de datos móviles, integrándolas en cada sector o actividad que haga uso de M2M. En general, no parece probable que sean directamente los operadores móviles los que asuman esta responsabilidad, sino terceras empresas asociadas a éstos o bien joint ventures de los primeros con empresas de cada sector. Este tipo de soluciones se perfila de vital importancia en sectores como el del automóvil, en el que M2M tendrá un gran impacto económico, tal como se ha descrito anteriormente, y en el que es vital que las soluciones de comunicaciones M2M estén optimizadas y estandarizadas. En conclusión, se puede afirmar que un servicio de datos indiferenciado dificultará al operador retener parte del valor que M2M aporta a las empresas, así como su desarrollo, puesto que supone un esfuerzo tecnológico adicional para las empresas al tener que gestionar la complejidad de las comunicaciones M2M. Por otra parte, tanto las soluciones de comunicaciones M2M como las soluciones particularizadas M2M tendrán una gran importancia en el desarrollo de estos nuevos servicios, si bien la utilización de una u otra alternativa diferirá en función del tipo de sector de actividad al que vayan destinadas. Ambas soluciones permiten al operador ofrecer servicios M2M a las empresas claramente diferenciados del resto de los servicios de datos móviles, facilitando a su vez la implantación de M2M, al simplificar la tarea de integrar las comunicaciones de datos móviles en sus procesos y sistemas de información. CÓMO UTILIZARÁN M2M LAS EMPRESAS? En general, los sistemas M2M utilizados por las empresas constarán de servidores (recursos informáticos en las empresas) encargados de comunicarse con los módulos de comunicación M2M remotos, así como de procesar y almacenar la información obtenida de las máquinas en los sistemas de información preexistentes en la empresa. Los módulos de comunicaciones M2M se incorporarán en los siguientes entornos: 87

87 Dispositivos M2M Capacidad de proceso Capacidad de comunicación Dimensiones Peso Coste unitario Basados en PC Alta GPRS-Bluetooth-WLAN 10 x 8 x 5 cm 200 g 550 Basados en microcontroladores Media GPRS-Bluetooth-WLAN 5 x 3 x 1 cm 25 g 120 Smart labels Baja (o sólo almacenamiento) RFID 1 x 1 x 0 cm < 1 g 0,20 Basados en PC Basados en microcontroladores Smart labels Figura 2. Evolución de las características de los módulos M2M en tamaño y complejidad Máquinas preexistentes. En este caso, los módulos M2M se integrarán de forma transparente en las máquinas, permitiendo que los equipos informáticos utilizados anteriormente de forma local para diagnosis o monitorización sean utilizados remotamente por la empresa. En algunos casos, pueden ser módulos programables, de forma que se pueda controlar el comportamiento de la máquina y sus comunicaciones. Máquinas nuevas. A medida que se diseñen nuevas máquinas, probablemente se incorporen a su diseño elementos que permitan la comunicación con las respectivas empresas. Es importante que en ese momento los servicios M2M se encuentren suficientemente estandarizados, de forma que se simplifique la elección de una solución tecnológica para dotar de capacidad de comunicación a los dispositivos. En este caso, las empresas dispondrán de sistemas informáticos adaptados completamente para el control, monitorización o diagnosis remota de los módulos M2M embebidos en sus máquinas. Múltiples máquinas en una misma área. Se combinarán módulos con capacidades de transmisión de datos GPRS con otros múltiples módulos que hagan uso de tecnologías inalámbricas locales, de forma que se reduzca el coste de los módulos M2M. Otro aspecto importante es el relativo a la complejidad y coste asociado a los módulos M2M. La tendencia general será hacia la simplificación de sus características físicas y su reducción de tamaño, suponiendo a su vez una reducción en sus precios que los hagan asequibles a las empresas. En la Figura 2 se puede ver la evolución de las características y tamaño de los diferentes dispositivos M2M: los basados en PC, los basados en microcontroladores y las smart labels. LA COMUNICACIÓN M2M EN LA VIDA DIA- RIA Si bien los beneficios de M2M se perciben claramente en la actividad de las empresas, cabe esperar que se extiendan al ámbito de la vida diaria de las personas, debido principalmente a la relación continuada que se lleva a cabo en una sociedad de consumo con los bienes producidos por las empresas, el interés de éstas en asegurarse las relaciones comerciales con sus clientes, así como por el valor que aportará a los particulares poder conocer el estado de sus bienes o telecontrolarlos. Cuando se consideran los límites del concepto M2M en el hogar o en la oficina, llegan a confundirse con los de la domótica (considerando en este caso "domótica" como los servicios de la vivienda ofrecidos por automatismos conectados a través de una red de la propia vivienda). Sin embargo, aun excluyendo la domótica del ámbito de M2M, se puede prever en un 88

88 futuro cercano una relación más o menos directa con todo tipo de dispositivos susceptibles de ser telecontrolados, monitorizados o "diagnosticados" remotamente. Lo mejor de todo es que esto no es ciencia-ficción, y en muchos casos ya es una realidad, lo que da idea del desarrollo que puede alcanzar en los próximos años. La comunicación M2M en el hogar Algún día el estado de los electrodomésticos en el hogar podrá ser conocido por los respectivos fabricantes, permitiendo diagnosticar las posibles averías o facilitando la configuración y operación remota. De momento, Mitsubishi Electric ya ha incorporado esta capacidad en sus sistemas de aire acondicionado domésticos, permitiendo el mantenimiento y diagnosis remotos. Tal vez las condiciones del agua de la piscina de una urbanización puedan ser medidas remotamente, y se controle también remotamente el tratamiento del agua. La empresa BioLab Inc. proporciona ya este servicio hoy en día en Estados Unidos. Cuando la lectura de los contadores de agua, electricidad o gas se realice de forma remota, tal vez no se perciba por muchos usuarios en su vida diaria. Sin embargo, la mejora en la productividad de estas compañías redundará en un menor coste de los servicios. La comunicación M2M en otros ámbitos de la vida diaria Es posible que algún día el vehículo en el que un usuario se desplaza para trabajar sea "diagnosticado" remotamente desde su concesionario habitual, avisándole a tiempo y evitando que un problema leve termine convirtiéndose en una costosa avería. Sin mirar al futuro, Caterpillar ya monitoriza el estado de sus vehículos industriales, logrando reducir en un 60 por ciento el tiempo dedicado a reparaciones en los mismos. La información sobre el estado del tráfico y la meteorología que se recibe en los paneles de muchas autopistas y autovías se recogen de estaciones de toma de datos y de estaciones meteorológicas comunicadas entre sí por módulos de comunicación inalámbricos. Cuando un empleado llegue a su oficina, aunque las máquinas expendedoras hayan dejado de estar vacías en ocasiones, es posible que no note nada extraño, gracias a que las compañías que las explotan pueden conocer su estado en tiempo real. En Japón, algunas empresas de este sector ya logran reducir al 50 por ciento las visitas para la operación de dichas máquinas. Las compras en los supermercados pueden cambiar radicalmente el día que se implante la utilización de M2M y la tecnología "smart labels" (etiquetas que permiten identificar por radiofrecuencia de forma única cada producto, con un coste por etiqueta inferior a 0,20 euros), reduciendo el tiempo de espera en caja o permitiendo evitar los hurtos. Esta tecnología ya se está empezando a probar en las cadenas que tienen los supermercados Tesco y Wal-Mart en el Reino Unido y Estados Unidos, respectivamente. Y esto es sólo el principio. Se estima que los factores que están propiciando el despegue de M2M sigan favoreciendo su desarrollo a niveles cada vez mayores. Cuál es el límite? El límite, en nuestra opinión, lo dictará la relación entre el valor de la información aportada por los dispositivos frente al coste de disponer de la información, tanto en el entorno de empresas como en el residencial. A modo de ejemplo, es posible que a una empresa no le resulte rentable disponer de información sobre cada una de las cajas de su producto (por ejemplo, su localización), por el coste excesivo de disponer de dicha información al tener que incorporar módulos de comunicaciones en cada una de ellas, pero sí puede resultarle rentable conocer la localización del palé en el que se transportan de forma conjunta los productos, ya que normalmente le aportará la misma información con un solo dispositivo de comunicaciones M2M. En muchos casos, la privacidad de los consumidores será un límite claro al uso que puedan hacer las empresas de la comunicación M2M. VISIÓN DE M2M EN TELEFÓNICA I+D Telefónica I+D, en su misión de contribuir a la mejora de la competitividad de las empresas del Grupo Telefónica, ha trabajado de un tiempo a esta parte creando soluciones innovadoras que ayuden a Telefónica Móviles a satisfacer de forma eficiente las 89

89 necesidades de sus empresas en el ámbito de M2M. Las premisas fundamentales en el diseño de las soluciones M2M de Telefónica I+D han sido la reducción del tiempo e inversión requeridos para la adopción de M2M por las empresas, la simplicidad para la adaptación a sus necesidades, así como la gestión transparente, fiable y segura de las comunicaciones asociadas a estos sistemas. Además, las soluciones se han diseñado de forma integrada con la infraestructura de red del operador móvil, haciéndolas más competitivas, lo que aporta una ventaja a Telefónica Móviles al poder implantarlas directamente en su red, o bien ofrecer nuevos servicios basados en dichas soluciones M2M. Actualmente Telefónica I+D dispone de dos tipos de soluciones: 1. Las basadas en el Sistema de Control Universal. Estas soluciones, además de gestionar las comunicaciones con las máquinas remotas, se caracterizan por incorporar en los módulos M2M parte de la lógica de control de las mismas, permitiendo obtener datos de máquinas sin ninguna o muy poca capacidad de procesamiento. Junto con el Sistema de Control Universal se incluyen herramientas de desarrollo que permiten la rápida adaptación del sistema a un tipo de aplicación particular. 2. Las basadas en Pasarelas de Red Móvil. Proporcionan canales de comunicación seguros, transparentes y fiables a través de la red móvil entre las empresas y sus máquinas. La emulación de interfaces de datos estándar a través de red móvil, como, por ejemplo, RS-232, Ethernet o I2C, permite a las empresas disponer de acceso continuado a sus máquinas para su monitorización y control. Este tipo de soluciones se destina principalmente a máquinas que ya disponen de interfaces estándar de entrada/salida y de una lógica de control propia, sin requerir ningún tipo de desarrollo adicional. El Sistema de Control Universal El Sistema de Control Universal es una plataforma de Telefónica I+D para el desarrollo y operación de aplicaciones M2M particularizadas a las necesidades de las empresas. Este sistema está basado en una arquitectura con tres elementos principales (ver la Figura 3): 1. Los Módulos de Control (MC). Son módulos de comunicaciones programables que permiten el control de cada máquina, comunicándose a su vez con un Centro de Control para recibir instrucciones, y notificar avisos y alarmas. Para ello, aparte de los mecanismos para una gestión transparente de las comunicaciones a través de la red móvil, incorporan parte de la lógica de funcionamiento de la máquina a controlar. 2. El Centro de Control (CC). Constituye el centro neurálgico del sistema, gestionando las comunicaciones con los MC Dispone de una consola de MC MC MC Bluetooth Programador de aplicaciones GPRS Centro de Control Figura 3. Sistema de Control Universal 90

90 administración que permite conocer el estado de las máquinas y enviar comandos, así como configurar los MC. Su comportamiento es totalmente configurable en función de cada tipo de aplicación M2M. 3. El programador de aplicaciones. El Sistema de Control Universal incorpora una herramienta visual que permite la particularización de su comportamiento a cada tipo de aplicación M2M. Mediante esta herramienta es posible definir tanto la funcionalidad de los MC como del CC sin requerir profundos conocimientos de las características técnicas del sistema, eliminando prácticamente los costes asociados a la adaptación del sistema a las máquinas y necesidades de cada empresa. Las Pasarelas de Red Móvil Las Pasarelas de Red Móvil, junto con las herramientas de administración que incorporan, forman una plataforma complementaria del Sistema de Control Universal, al gestionar las comunicaciones asociadas a M2M sin incorporar ninguna lógica de control adicional a la propia de las máquinas remotas. Esta solución se dirige a los sistemas automatizados previamente, que en muchos casos requieren una actuación local para su control, administración y mantenimiento. De esta forma, se permite su operación remota sin necesidad de renovar las máquinas, al ser accesibles remotamente desde la empresa propietaria gracias a la emulación de las interfaces de datos de las máquinas. Las Pasarelas de Red Móvil ocultan los detalles de conexión a la red móvil, así como el servicio de transmisión de datos que estén utilizando en cada momento (GPRS, CSD, USSD, etc.). Así mismo, deben encargarse de proporcionar una conexión de datos segura y permanente a través de la red móvil. Las pasarelas disponibles en la actualidad son: La pasarela Ethernet a la red móvil. Emula la conexión de la máquina a la red de la empresa a través de una LAN Ethernet. Se basa en la utilización de la tecnología de Redes Privadas Virtuales (RPV) sobre red móvil, junto con la incorporación de mecanismos transparentes para la gestión de la conectividad. La pasarela RS-232 a la red móvil. Este tipo de pasarela emula una conexión de datos RS-232 extremo a extremo a través de la red móvil. De esta forma se permite que las aplicaciones de configuración, control y/o administración de diversas máquinas puedan ser utilizadas remotamente, e incluso adaptadas para la configuración, control y/o administración en batería de múltiples máquinas de forma simultánea. Al igual que el caso anterior, este tipo de pasarela incorpora diversos mecanismos para asegurar la conectividad con la empresa a través de la red móvil. Estas pasarelas se complementan con una serie de herramientas de administración que permiten a las empresas administrar remotamente sus máquinas, como son: La herramienta de gestión de pasarelas Ethernet, que permite gestionar la topología de la red de máquinas de la empresa (organizarlas en diferentes VLANs, dar de alta y de baja a las máquinas, configurar la política de asignación de IPs, etc.). La herramienta de gestión de pasarelas RS-232, que permite crear y eliminar pasarelas RS-232 entre máquinas remotas y equipos informáticos de la empresa, así como definir diversos modos de pasarela RS-232 para cada conexión (puerto COM físico a COM físico, puerto COM físico a puerto COM virtual o puerto COM físico a puerto TCP/IP). La herramienta de gestión de la seguridad asociada a las redes M2M, que permite la configuración de RPVs, la gestión de certificados de máquinas, etc. En definitiva, esta solución permite dotar de conectividad a las máquinas que ya estén en explotación, sin más que disponer de los módulos de comunicaciones M2M correspondientes y las herramientas de administración especificadas anteriormente. CONCLUSIONES A lo largo del artículo se han descrito los factores económicos y tecnológicos que justifican una explosión en la utilización de machine-to-machine (M2M), y por ende de las comunicaciones móviles, por parte de las empresas en diversos sectores de actividad. En concreto, la reducción de las inversiones asociadas a los módulos de comunicaciones M2M y el desarrollo de las redes de datos móviles son aspectos que favorecen la proliferación de las aplicaciones M2M. 91

91 Por otra parte, estas nuevas necesidades de comunicación presentan características que difieren claramente del uso tradicional de los servicios de red móvil, como por ejemplo el elevado número de terminales o un tráfico de datos unitario reducido, y que anticipan la importancia del papel del operador móvil. De este modo, es clave una actitud proactiva del operador, abierta hacia el desarrollo de soluciones para empresas y la adaptación de sus servicios a estas nuevas necesidades, de forma que sea posible rentabilizar el reto que supone M2M. La dificultad para estimar de forma precisa el impacto económico que supondrá para los operadores la utilización de M2M no impide percibir la importancia de los beneficios que está suponiendo y supondrá su empleo para gran número de empresas, como se ha visto en este artículo a través de diversos ejemplos. Por su parte, Telefónica I+D ha desarrollado soluciones que permiten una adopción sencilla de M2M por parte de las empresas, como es el caso del Sistema de Control Universal o las Pasarelas de Red Móvil. Estas soluciones, complementadas con servicios de datos móviles adaptados a M2M, lo potenciarán, al permitir a las empresas centrarse en aprovechar las ventajas que M2M aporta a su negocio sin llevar a cabo grandes inversiones, con un bajo coste de adaptación y abstrayéndose de los problemas tecnológicos derivados de su implementación. Finalmente, es de destacar que M2M es cada vez más un fenómeno del presente que una expectativa futura, como se ha perfilado mediante diversos ejemplos a lo largo del artículo. Así, su utilización en múltiples ámbitos de la vida diaria es una prueba de la importancia que adquiere día a día tanto para las empresas, al propiciar nuevos servicios y mejorar sus procesos productivos, como para los consumidores finales, que directa o indirectamente son usuarios de estas nuevas posibilidades que ofrece el desarrollo de las comunicaciones móviles. Glosario de Acrónimos ANEDA Asociación Nacional Española de Distribuidores Automáticos CSD Circuit Switched Data GPRS General Packet Radio Service LAN Local Area Network M2M Machine to Machine, Mobile to Machine, Machine to Mobile RFID RPV TCP/IP USSD VLAN WLAN Radio Frequency Identification Red Privada Virtual Transmission Control Protocol/Internet Protocol Unstructured Supplementary Service Data Virtual Local Area NetworkWLAN Wireless Local Area Network 92

92 Servicios de entretenimiento en el hogar Adolfo María Rosas Gómez, Enrique Fernández Ferrá, Francisco Rodríguez García, Fernando García Calvo Telefónica Investigación y Desarrollo El desarrollo de la banda ancha, principalmente la expansión del ADSL, está cambiando la forma en la que los usuarios domésticos utilizan su tiempo de ocio. Nuevas posibilidades de entretenimiento surgen en el hogar de la mano de los servicios que hacen uso de estas nuevas facilidades de interconexión a alta velocidad. En este artículo se concretan cuáles son estos servicios, describiéndose de forma pormenorizada sus distintas funcionalidades, y se realiza un esbozo de la arquitectura que posibilita su provisión. INTRODUCCIÓN Tradicionalmente, los servicios de "entretenimiento" en el hogar han estado asociados al uso de la televisión y de la radio como elementos a través de los cuales el usuario podía acceder a contenidos de difusión universal, normalmente gratuitos. Estos "usos clásicos" ponían al alcance del usuario unos contenidos audiovisuales de calidad, pero adolecían de la posibilidad de acceder a ellos de forma interactiva, es decir, el usuario no podía elegir el momento en el que poder disfrutar de un determinado contenido. Más recientemente ha aparecido otro tipo de contenidos de entretenimiento que ya sí son interactivos, como es el caso de los videojuegos que, mediante el uso de consolas o de aplicaciones de ordenador conectados a la red telefónica, permiten al usuario interactuar con otros jugadores, aunque con las limitaciones impuestas por el retardo y la baja velocidad de las conexiones clásicas a través de módem telefónico. Para un operador de telecomunicaciones es perfectamente posible hoy en día ofrecer nuevos servicios de entretenimiento en el hogar de los usuarios, con un alto grado de calidad, haciendo uso de las redes de telecomunicación de banda ancha. Es posible ofrecer a través de estas redes los contenidos de entretenimiento clásico antes mencionados e incluso una nueva gama de servicios exclusivamente diseñados para la red: servicios con interactividad de comunicación audiovisual con otras personas, servicios informativos bajo demanda, etc. También es posible dotar de nuevas características a los elementos tradicionales del ocio: la televisión puede evolucionar hacia una televisión interactiva. Los contenidos que visualizamos en nuestro hogar pueden llegar a nosotros por canales distintos a los habituales (cable, teléfono, fibra, satélite, etc., en lugar de ondas de radio) y pueden llegar enriquecidos con materiales adicionales. La combinación de contenidos que se refuerzan entre sí y la combinación de medios de comunicación con contenidos dan origen a nuevos "servicios", nuevos productos de consumo en un mercado de información y ocio. Las aplicaciones informáticas más populares en el hogar suponen la expresión de "hobbies": juegos, procesadores de texto, contabilidad, aplicaciones personales, etc. En su mayor parte estas aplicaciones no son un verdadero entretenimiento doméstico sino un entorno de producción personal. Sin embargo, con la adición de las comunicaciones a este entorno, surgen múltiples alternativas no existentes previamente. Así, por ejemplo, del uso del correo electrónico surgen comunicaciones con personas, grupos, comunidades, chat, etc. De la relación con otros en "la red" se des- 93

93 prende un componente de tipo lúdico que ya si podemos clasificar inmediatamente como entretenimiento doméstico. Las nuevas costumbres del usuario del ordenador doméstico vienen a complementar las ya existentes, pasando de la productividad personal a la pertenencia a una comunidad. En este artículo se analizan estos servicios, que buscan su lugar en el entretenimiento doméstico y que surgen del nuevo estado del arte de la sociedad: la sociedad conectada a un canal de comunicación de datos. SERVICIOS DE JUEGOS EN RED Este tipo de servicios ofrece facilidades para participar en partidas multijugador, compitiendo o colaborando con otros usuarios anónimos o amigos. Normalmente es necesario que el usuario ya disponga del software del juego en su ordenador personal, siendo un valor añadido el proporcionar un punto de encuentro, el "hosting" de los servidores y la gestión de las partidas. Debe tenerse en cuenta que este tipo de servicios es totalmente distinto del descrito posteriormente en el artículo, el servicio de alquiler de juegos, en donde el valor añadido consiste en la obtención del software del juego. Desde el punto de vista del operador, los servicios de juegos en red tienen los siguientes atractivos: El disfrute de juegos en partidas con otros usuarios constituye un servicio por el que es posible obtener ingresos directos. Dicho de otra forma, los usuarios están dispuestos a pagar por la diferencia entre jugar con otros usuarios y el disfrute de una partida monousuario. En torno a un sitio de juegos es posible construir un entorno de prestación de servicios muy variados que ofrezcan ingresos adicionales: participación en torneos, rankings, alquiler de infraestructura, etc. El paradigma objetivo es el del "club", un lugar donde se prestan facilidades de relación con otros, y en el que se paga por ser "socio". Un club de juegos es también un entorno inmejorable para la obtención de ingresos indirectos. El perfil de los usuarios es muy homogéneo y la publicidad puede ir dirigida a un segmento muy específico: los jóvenes. La venta del software de los juegos y el material asociado es obviamente una facilidad a explotar. Para los usuarios, los beneficios son los siguientes: El atractivo de un juego aumenta enormemente con las partidas en red. Disponibilidad de un punto de encuentro de usuarios con los mismos intereses, y con herramientas de comunicación que facilitan la relación (chat, foros, etc.). Disponibilidad de un sitio donde mantenerse "a la última", obtener los últimos parches, trucos, novedades, etc. Descripción general de un servicio de juego en red Aunque un sitio de juegos en red puede ofrecer servicios muy variados, el servicio que se describe en este apartado se puede considera como un caso típico. El recurso básico ofrecido es el acceso a partidas multijugador, donde el sitio dispondrá generalmente de un conjunto de servidores que alojan una o varias partidas, y el usuario puede visualizar cuáles son las partidas en curso y unirse a una de ellas. En la Figura 1 se muestra el ejemplo de TerraGames, donde el listado de servidores informa sobre: El nombre del juego. El número de jugadores activos. Las restricciones de acceso al servidor. El proceso para unirse a una partida tiene lugar del siguiente modo: 1. El usuario pulsa en el botón correspondiente de la interfaz web para unirse a la partida. 2. El servidor evalúa los derechos de acceso (por ejemplo, si el usuario está suscrito), y en caso positivo habilita la conexión entre el terminal del usuario y el servidor de juegos correspondiente. 3. El servidor responde con una página en la que se aloja un componente que realizará tanto la búsqueda del software del juego en el ordenador personal del usuario, como su lanzamiento con los parámetros adecuados (dirección del servidor, puerto y otros). 94

94 Figura 1. Servicio de juegos en red de TerraGames 4. Los gestores de la partida se encargan de obtener datos del servidor de juegos para la generación de estadísticas, rankings, etc. A esta funcionalidad básica se añaden generalmente otras que convierten el sitio en un punto de encuentro y facilitan la creación de grupos de amigos, clanes, etc. Entre estas otras funcionalidades se pueden destacar: Chat. Generalmente cada juego dispone de su propio chat. Listas de amigos. Se usarán para averiguar cuales de ellos están on-line en un cierto momento e iniciar partidas, intercambiar mensajes, etc. Foros. Listas de discusión off-line sobre temas de interés para los jugadores. Listas de "rankings", competiciones, etc. Arquitectura Los juegos en red participan de las mismas características comunes de otros juegos de ordenador: una tecnología de representación (gráficos, sonido, etc.) y una misión o historia que define el objetivo del juego. Adicionalmente, en los juegos en red existen un entorno compartido y varios participantes en localidades remotas. El mecanismo del juego debe asegurar la consistencia de la situación para los diversos participantes, de tal manera que debe garantizar que una serie de operaciones se llevan a cabo a tiempo para que la acción conjunta pueda desarrollarse en tiempo real. Este objetivo no es trivial si el juego se desarrolla sobre una capa de transporte de red no fiable y de latencia no acotada. Existe un entorno, o "mundo", y unos actores con capacidad de interactuar entre sí y con el mundo, y es necesario reflejar esta interacción en la red con celeridad en ambos sentidos: mundo-usuarios y usuarios-mundo. Una máquina servidora de un juego en red realiza una representación del estado del mundo, admite conexiones de los jugadores y cambia el estado con cada interacción de cada jugador y con cada ciclo de refresco de la dinámica del mundo. A su vez existe otro ciclo, no necesariamente relacionado con ninguno de los anteriores, que "difunde" el nuevo estado del mundo, en todo o en parte, a cada jugador. Todos estos ciclos deben suceder a un ritmo tal que permitan una acción fluida de los jugadores. La interactividad que un usuario puede tener con el juego depende de que puedan completarse al menos suficientes ciclos de actualización del mundo por segundo (entre 10 y 20). Como puede razonarse fácilmente, este tipo de sistema es de tiempo real débil distribuido, conectado por una red que no tiene servicios de tiempo real, ya que la mayor parte de los segmentos de red empleados son redes IP sin aditamentos (como RSVP u otros). Se trata de un intento condenado a ser subóptimo. Aún así existen múltiples aplicaciones o juegos 95

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