Tecnología Inalámbrica - Comunicaciones e instalaciones industriales (PDF)

Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales - Comunicaciones e instalaciones industriales 6. TECNOLOGÍA INALÁMBRICA Ignacio Del Villar 6. TECNOLOGÍA INALÁMBRICA 6.1. Introducción 6.2. Wireless Personal Area Networks (WPAN) a) Bl...

Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales - Comunicaciones e instalaciones industriales 6. TECNOLOGÍA INALÁMBRICA Ignacio Del Villar 6. TECNOLOGÍA INALÁMBRICA 6.1. Introducción 6.2. Wireless Personal Area Networks (WPAN) a) Bluetooth b) Zigbee 6.3. Wireless Local Area Networks (WLAN) – WiFi 6.4. RFID 6.5. Industrial Internet of Things (IIoT) 6.6. Resumen  Introducción Redes de comunicación inalámbricas de uso más extendido a) Redes basadas en la banda ISM WPAN (redes wireless a área personal): 802.15.1 (Bluetooth), 802.15.4 (Zigbee) y Wireless USB WLAN (redes wireless a área local): 802.11 (WiFi) WMAN y WWAN (redes wireless de área metropolitana y extensa): las LPWAN, de bajo consumo y velocidad de datos (Sigfox y LoRa) Clasificación en función de la velocidad de transmisión b) Tecnología celular y de la cobertura (http://bit.ly/2GGGaV6) 1G: tecnología analógica 2G: tecnología digital (voz y datos) 3G: voz, vídeo y datos por IP (hasta 2 Mbps) 4G: voz, vídeo y datos por IP (2Mbps hasta 1Gbps) 5G: como 4G pero a mayores velocidades http://www.vizocomsat.com/blog/difference-cellular-satellite- communications/  Introducción Las bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical)  Son bandas reservadas internacionalmente para uso no comercial de radiofrecuencia electromagnética en áreas industrial, científica y médica.  Se usan en comunicaciones WLAN (e.g. Wi-Fi) o WPAN (e.g. Bluetooth).  No requieren de licencia, respetando las regulaciones que limitan los niveles de potencia transmitida. Este hecho fuerza a que este tipo de comunicaciones tengan cierta tolerancia frente a errores y que utilicen mecanismos de protección contra interferencias, como técnicas de ensanchado de espectro RFID Bluetooth, Zigbee, WiFi 6. TECNOLOGÍA INALÁMBRICA 6.1. Introducción 6.2. Wireless Personal Area Networks (WPAN) a) Bluetooth b) Zigbee 6.3. Wireless Local Area Networks (WLAN) – WiFi 6.4. RFID 6.5. Industrial Internet of Things (IIoT) 6.6. Resumen  WPAN  WPAN (Wireless Personal Area Networks) abarca a aquellas redes cuyo rango de acción de acción se limita a unos pocos metros  Existen infinidad de entornos de corta distancia donde las WPAN pueden entrar en escena: Electrónica de consumo Comunicación entre - smartphones, tablets redes industriales Medicina (e.g. PROFINET) - Monitorización - Diagnósticos Periféricos del PC - Sensores - Ratón, teclado, Aplicaciones monitor de banda estrecha Entretenimiento - Juguetes Domótica - Videoconsolas - Seguridad, iluminación - aire acondicionado  Cada una de estas aplicaciones presenta necesidades diferentes. Por lo general es suficiente con ofrecer velocidades de algunos Mbps  WPAN - Bluetooth  Es la tecnología más popular y está basada en terminales de bajo coste y pequeño alcance (entre 1 y 100 m)  Su aplicación se está extendiendo a interconexión de redes. Como consecuencia de su flexibilidad, bluetooth ha tenido una enorme expansión en los últimos años  Además, el mercado de los circuitos integrados con bluetooth mueve millones de euros y cada vez se logran dispositivos más pequeños ultra-compact Bluetooth® low energy module con SASP™ technology  WPAN - Bluetooth Topología de red  Bluetooth soporta tanto tecnología punto a punto como multipunto  Los dispositivos bluetooth se agrupan en piconets, que están formadas por dispositivos que se conectan sobre la marcha  En una piconet con dos dispositivos uno actúa de maestro y el otro de esclavo m s  Cuando hay más de dos y menos de 9 dispositivos uno actúa de maestro y el resto de esclavos con una dirección AMA (active member address): s m s s  WPAN - Bluetooth Topología de red  Cuando hay más de 8 dispositivos uno actúa de maestro, 7 de esclavos activos con una dirección AMA (active member address) y el resto de esclavos parked con una dirección PMA (Parked Member address) s s s m s s s s s  El solapamiento de dos piconet cercanas origina una scatternet, y los esclavos de una de ellas pueden actuar como maestros o esclavos de la otra mediante TDM  Las interferencias entre dispositivos que trabajan en la misma banda pueden ocasionar problemas  WPAN - Bluetooth Protocolos: Utiliza un modelo de capas similar a OSI Especificaciones del estándar bluetooth versión 1.2 Tecnología Espectro ensanchado por salto en frecuencia Banda de frecuencia 2.4 GHz (Banda ISM) Modulación GFSK 1 mW para alcance de 10 m Potencia del transmisor 100 mW para alcance de hasta 100 m De voz: 3 por piconet Canales máximos De datos: 7 por piconet Velocidad de datos Hasta 721 Kbps por piconet Distancia máxima 10 m Número de dispositivos 8 por piconet y hasta 10 piconets Consumo de potencia Desde 30 A hasta 30 mA transmitiendo  WPAN - Bluetooth Canalización  Canales físicos (cómo se reparten los recursos del canal):  cada dispositivo tiene un transceiver que transmite y recibe en una banda de 1 MHz entre 2,402 y 2,48 GHz  En algunos países en vez de 79 canales hay 23 (en España desde 2,449- 2,471 GHz)  Cada canal se caracteriza por una secuencia pseudoaleatoria que define los saltos en frecuencia y que es único para cada piconet  Canales lógicos (dividen el tiempo en secciones):  Dos canales de control usados para control de la conexión  Tres canales de usuario para el envío de datos Formato del paquete bluetooth 72 bits 54 bits 2745 bits Código de acceso Cabecera Carga útil  Código de acceso: es el mismo para cada piconet y se emplea para distinguir los paquetes pertenecientes a dicha piconet  Cabecera: contiene parámetros como el active member address (0 si manda el maestro y distinto de 0 si proviene de algún esclavo)  Carga útil: datos  WPAN - Bluetooth Tipos de dispositivos bluetooth  Clase 1: 100 mW, 100 m  Clase 2: 2.5 mW, 10 m  Clase 3: 1 mW, 1m  Clase 4: 0.5 mW, 0.5 m Versiones de bluetooth  Versión 1.2 (1 Mbps)  Versión 2.0 (3 Mbps)  Versión 3.0: Puede alcanzar 24 Mbps sólo en caso de que presente la opción HS (high speed), en cuyo caso necesita de un enlace 802.11 (WiFi) para su ejecución  Versión 4.0 (smart bluetooth)  Incluye los protocolos:  Classic Bluetooth  Bluetooth high speed  Bluetooth low energy  Los dispositivos que implementan las LE y classic se les llama dual-mode devices y son compatibles con las versiones anteriores, mientras que los single mode no lo son  Versión 5.0: se centra en el Internet de las cosas (IoT) (puede duplicar la velocidad de la version 4 o aumentar su rango de actuación bajando la velocidad  WPAN - Bluetooth Classic bluetooth vs bluetooth low energy http://www.farnell.com/datasheets/1691422.pdf  WPAN - Bluetooth Classic bluetooth vs bluetooth low energy Topología en scatternet de classic Bluetooth Topología en estrella de Bluetooth low energy (BLE)  En BLE los esclavos se comunican con el maestro a través de un canal separado.  Al contrario que la piconet de classic Bluetooth, donde los esclavos escuchan continuamente las llamadas de conexión y por tanto están constantemente activas, el esclavo de BLE es quien invita a la conexión y por tanto controla siempre cuándo está encendido.  El maestro BLE, que se supone tendrá menor limitación de consumo, escuchará los avisos de conexión de los esclavos y se conectará a estos últimos. http://www.summitdata.com/blog/ble-overview/ 6. TECNOLOGÍA INALÁMBRICA 6.1. Introducción 6.2. Wireless Personal Area Networks (WPAN) a) Bluetooth b) Zigbee 6.3. Wireless Local Area Networks (WLAN) – WiFi 6.4. RFID 6.5. Industrial Internet of Things (IIoT) 6.6. Resumen  WPAN - Zigbee Características generales  Posibilidad de agregación de elevado número de nodos  Velocidades de transmisión moderadas (250 kbps)  Consumo energético contenido y bajo coste  Distancia: 10 a 100 metros  Aplicación: redes de sensores inalámbricos Tipos de dispositivos Zigbee  Coordinador: actúa como director de la red y puede almacenar información sobre ella  Router: amplía la cobertura de red de área. Proporciona una copia de seguridad de las rutas en caso de congestión o fallo del coordinador  End Device (dispositivo final): se puede comunicar con su nodo padre (el coordinador o un router), pero no puede transmitir información destinada a otros dispositivos.  WPAN - Zigbee Topologías Zigbee  WPAN - Zigbee Ejemplo de una red Zigbee: Zigbit de Atmel  WPAN - Zigbee Pila de protocolos en Zigbee  Propiamente se llama Zigbee al conjunto de tres capas:  Capa de red: gestiona el envío, enrutamiento y control de los paquetes de datos de un nodo a otro en la red  Capa de seguridad: encripta los datos con el método AES  API: realiza las funciones de puente entre Zigbee y la capa de aplicación  WPAN - Zigbee Bandas de trabajo Redes similares a Zigbee  6LoWPAN: basado en IP aunque no está orientado a conexión ni implementa seguridad  Z-Wave: como Zigbee se orienta a dispositivos de bajo consumo con velocidades 9600 bps a 40 Kbps y un alcance máximo de 30 metros