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Grado en Ingeniería Eléctrica y Electrónica - Comunicaciones 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. Ind...
Grado en Ingeniería Eléctrica y Electrónica - Comunicaciones 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) b) Tecnología celular 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 Clasificación en función de la velocidad de transmisión y de la cobertura (http://bit.ly/2GGGaV6) http://www.vizocomsat.com/blog/difference-cellular-satellitecommunications/ 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: Medicina - Monitorización - Diagnósticos - Sensores Comunicación entre redes industriales (e.g. PROFINET) Entretenimiento - Juguetes - Videoconsolas Electrónica de consumo - smartphones, tablets Aplicaciones de banda estrecha Periféricos del PC - Ratón, teclado, monitor Domótica - 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 Banda de frecuencia Modulación Potencia del transmisor Canales máximos Velocidad de datos Distancia máxima Número de dispositivos Consumo de potencia Espectro ensanchado por salto en frecuencia 2.4 GHz (Banda ISM) GFSK 1 mW para alcance de 10 m 100 mW para alcance de hasta 100 m De voz: 3 por piconet De datos: 7 por piconet Hasta 721 Kbps por piconet 10 m 8 por piconet y hasta 10 piconets Desde 30 µA 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 2.480 GHz En algunos países en vez de 79 canales hay 23 (en España desde 2.4492.471 GHz) Cada canal se caracteriza por una secuencia pseudoaleatoria que define los saltos en frecuencia y que es único para cada piconet Canales lógicos (como se conexionan los protocolos): 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 Código de acceso Cabecera 2745 bits 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, Clase 2: 2.5 mW, Clase 3: 1 mW, Clase 4: 0.5 mW, 100 m 20 m 1m 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 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 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 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 WLAN - WiFi Tradicionalmente el medio utilizado para las redes LAN ha sido el cable de cobre Pero el trabajo es cada vez más dinámico y se apuesta por evitar el cableado en aplicaciones como: El domicilio Las oficinas Bibliotecas y edificios públicos En el ámbito de la industria los equipos no se mueven tanto. Por ese motivo las WLAN han tenido mucha menos penetración en la industria. Con todo, merece la pena hablar sobre redes WLAN y en primer lugar se describirá WiFi, la marca de la Alianza Wi-Fi que cumple con los estándar IEEE 802.11 para redes WLAN y que domina como protocolo para este tipo de redes WLAN - WiFi Especificaciones 802.11a (1999) emite a 5 GHz y alcanza una velocidad de 54 Mbps en un radio de alcance de 10 m, con lo que se requieren muchos puntos de acceso. 802.11b (1999) emite a 2.4 GHz y alcanza velocidades más moderadas que la versión a (solo llega hasta 11 Mbps), Alcance: 30 metros 802.11b (2003) emite a 2.4 GHz a distancia 30 metros Velocidad 54 Mbps WLAN - WiFi 802.11n (2008) emite en 2.4 y 5 GHz, velocidades de hasta los 600 Mbps. Distancia máxima 50 m. 802.11ac (2014) Trabaja a 5 GHz con velocidades de hasta Gbps. Para ello Para ello emplea técnicas de multiplexación OFDM (ortogonal frequency division multiplexing) y modulación 64 o 256 QAM, que supone 6 u 8 bits respectivamente por símbolo transmitido. Además, emplea técnicas de transmisión MIMO (multiple input – multiple output), consistente en la transmisión y recepción a través de varias antenas de forma simultánea. En concreto en esta versión se hacen hasta 3 transmisiones simultáneas. Alcance 50 m. 802.11ax (2020) Velocidad cercana a 10 Gbps. Transmite, dependiendo de la subversión, en dos bandas (2.4 y 5 GHz) o en tres bandas (2.4, 5 y 6 GHz) y alcance 50 m. WLAN - WiFi Tramas WiFi Los campos address, que se refiere a las direcciones, son de la misma longitud que los campos dirección destino y origen MAC de Ethernet, 6 bytes. Pero ahora la trama incluye hasta 4 direcciones. Las dos primeras, como en Ethernet, serán la de destino y la de origen. Las otras son para diversos usos. Un ejemplo es la dirección del punto de acceso al que se conecta el emisor. El frame body contiene los datos de la trama y el FCS es el campo de comprobación de errores WLAN - WiFi Topologías 1. Configuraciones ad hoc1 Se las conoce también como Peer-to-Peer Los terminales móviles se comunican directamente utilizando una tarjeta adaptadora para las comunicaciones inalámbricas Configuración ad hoc ad hoc: término usado para comunicaciones inalámbricas donde la conexión se establece solo para la sesión actual sin requerir una estación base WLAN - WiFi Topologías 2. Punto de acceso La estación base o punto de acceso hace de repetidor inalámbrico de una celda El punto de acceso está conectado a una red troncal, como puede ser la Internet La planificación debe hacerse cuidadosamente para evitar problemas de cobertura Punto de acceso Configuración con punto de acceso WLAN - WiFi Topologías 3. Interconexión vía radio de redes LAN Los segmentos de red se unen mediante radioenlaces Se utilizan antenas directivas que soportan el canal de comunicación entre los extremos Configuración vía radio de redes LAN (punto a punto) WLAN - WiFi WiFi para redes industriales La clave está en asignar proridades, lo que se puede lograr de las siguientes maneras: El acceso al medio se gestiona a base de hacer una serie de retransmisiones, ya que es un protocolo no orientado a conexión. De modo que se podría asignar más retransmisiones a los paquetes más importantes Asignación de más o menos potencia de transmisión en función de la prioridad del mensaje, porque a más potencia se use habrá más garantía de que el mensaje llegue a su destino con un menor número de retransmisiones Asignar diferentes técnicas de modulación a unos mensajes y a otros porque unas son más eficientes que otras Actualmente hay dos protocolos que discriminan tráfico: Enhanced Distributed Coordination Function (EDCF) Hybrid Coordination Controlled Channel Access (HCCA) 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 RFID Características de RFID (Radio Frequency Identification) Se basa en el empleo de etiquetas de radiofrecuencia en los que se puede almacenar información que podrá ser leída si se interroga de forma adecuada Tiene un alcance de entre 1 cm y varios metros A continuación se muestran analogía diferencias de RFID con respecto a la lectura de códigos de barras mediante infrarrojos: Analogías Automatizan el proceso de captura de información Facilitan la gestión de operaciones Diferencías No requieren de visión directa entre la etiqueta y el lector Las etiquetas se pueden reprogramar dinámicamente Pueden leerse simultáneamente los datos de todas las etiquetas en el campo de acción del lector Almacenan mayor tipo de información permitiendo la identificación de un ítem concreto Capacidad de interacción con redes de sensores y otras fuentes digitales de datos Aplicables en entornos hostiles (altas temperaturas, ambiente químico o tóxico…) RFID Arquitectura El sistema está compuesto por un puesto de control con un software al que se conectan una serie de lectores que reciben las señales de las etiquetas LAN PUESTO DE CONTROL ETIQUETAS LECTORES RFID Modo de funcionamiento Se basa en comunicación bidireccional entre un lector (interrogador) y un tag o transponder, mediante señales de radiofrecuencia. El lector dispone de antena para recibir señales modulador/demodulador en radiofrecuencia módulo de control que interactúa con el software El tag está compuesto por antena en forma de bobina circuito integrado. Este circuito integrado necesita una pequeña cantidad de energía para poder funcionar, por lo que la antena contenida en este es la que funciona como medio para obtener esta energía que se recoge a partir del campo electromagnético producido por el lector RFID. RFID Las etiquetas son de dos tipos: Activas: Envían por sí solas los datos que almacenan La etiqueta requiere fuente de alimentación (incluida en el propio módulo) Pasivas: El lector las interroga No requiere fuente de alimentación (reflejan la señal del interrogador) TAG ACTIVO TAGS PASIVOS RFID Modo de funcionamiento Cuando el tag ingresa en el área de cobertura del sistema, el lector emite una interrogación El campo electromagnético que emite el lector se convierte en energía eléctrica inducida en la antena del tag que permite que el circuito integrado del tag funcione Los datos contenidos en la memoria del tag son transmitidos mediante modulación ASK, FSK o PSK En el lector se demodulan los datos enviados por el tag RFID Bandas de frecuencia a las que trabaja RFID A bajas frecuencias la atenuación es menor pero la distancia se reduce y la velocidad también Aplicaciones Los sectores fundamentales son el control de acceso y la logística Gestión logística: en todas las aplicaciones de flujo de materias primas, componentes, inventarios, etc, se requiere un resource planning (plan de recursos) El resource planning está gestionado por aplicaciones que gestionan los datos que se introducen Con el RFID se evitan todos los problemas derivados de una inserción errónea de datos (está comprobado que de cada 10000 apuntes 34 se introducen incorrectamente) RFID RFID www.sistemas-rfid.es RFID Aplicaciones Logística, paso de peajes en autopistas, acceso a edificios y salas, pago con móvil… En el caso del control de acceso, puede cuantificar el número de visitantes e impedir el acceso a los no permitidos de forma más sencilla que las técnicas tradicionales Los usuarios disponen de una tarjeta de identificación que contiene una etiqueta de RF. Si al pasar el lector no se detecta señal se activa una alarma Es posible conectar varios sistemas a la vez para controlar el acceso a un edificio a través de varias zonas Zona estándar WAN Zona VIP Zona personal 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 Industrial Internet of Things (IIoT) Origen del IIoT El IoT es un sistema de dispositivos informáticos, máquinas mecánicas y digitales, objetos, animales y/o personas interrelacionados que cuentan con identificadores únicos, unique identifiers (UID), y la capacidad de transferir datos a través de una red de forma autónoma, sin necesidad de interacción de persona a persona o de persona a máquina. En el IoT también es importante enrutamiento y direccionamiento IP. IIoT es la extensión a la industria del concepto IoT Industrial Internet of Things (IIoT) Definición e IIoT sistema que comprende dispositivos inteligentes en red, tecnologías de información genéricas asociadas y, opcionalmente, plataformas de edge computing o de computación en la nube. Esto permite el acceso, la recopilación, análisis, comunicación e intercambio de información de proceso, producto y/o servicio, dentro del entorno industrial, para optimizar el valor total de la producción (mejora de la entrega de productos o servicios, aumento de la productividad, reducción de costos de mano de obra, reducción del consumo de energía y reducción del tiempo de fabricación bajo pedido). Diferencias entre IoT y IIoT Parámetro IoT IIoT Se construye a partir de cero Una instalación previa Movilidad de los equipos Alta Baja Volumen de datos Alto Bajo Latencia Alta Baja Ámbitos de actuación industria de la edificios inteligentes, vigilancia de la salud y producción, logística y localización en interiores mantenimiento remoto de fábricas Industrial Internet of Things (IIoT) Arquitectura IIoT Se pueden distinguir estas etapas en una red IIoT: Etapa 1: Sensores para obtener los parámetros de las Things y actuadores para dar órdenes, es decir, para actuar sobre las Things. Etapa 2: Puertas de enlace para Internet y sistemas de adquisición de datos Etapa 3: Edge Computing: una red donde se analizan datos y se hace preprocesado Etapa 4: Centro de datos o nube: una red de ordenadores donde se hace un procesado de más alto nivel, se gestionan los ficheros, etc. Industrial Internet of Things (IIoT) Arquitectura IIoT Se pueden distinguir estas etapas en una red IIoT: Etapa 1: Sensores para obtener los parámetros de las Things y actuadores para dar órdenes, es decir, para actuar sobre las Things. Etapa 2: Puertas de enlace para Internet y sistemas de adquisición de datos Etapa 3: Edge Computing: una red donde se analizan datos y se hace preprocesado Etapa 4: Centro de datos o nube: una red de ordenadores donde se hace un procesado de más alto nivel, se gestionan los ficheros, etc. Industrial Internet of Things (IIoT) Redes LRPAN - Lora y Sigfox Trabajan a frecuencias relativamente bajas (no superan los GHz), Topología en estrella Alto número de dispositivos conectados (con Sigfox se puede llegar al millón y con LoRa a 100000) En zona urbana se llega a cubrir una distancia de 5-10 km y en zona rural entre 20 y 50 km. El volumen de datos que se transmite es muy pequeño. Por ejemplo, en SigFox cada dispositivo solo puede enviar como mucho 140 mensajes al día y con un límite de 7 mensajes a la hora. Además, cada mensaje es de 12 byte como máximo. Industrial Internet of Things (IIoT) Ejemplo de red LoRa https://deepdata.es/red-lora/ 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 Resumen Tabla resumen Nombre de Número máximo la red de nodos por red Distancia máxima Velocidad Classic Bluetooth 8 10-100 m 0.9 – 2.1 Mbps Bluetooth Low Energy Ilimitado 10-100 m 0 – 250 kbps Zigbee Ilimitado 10-100 m 0 – 250 kbps WiFi Ilimitado 50-500 m* 100 Mbps - Gbps 5G ilimitado ilimitado 100 Mbps - Gbps Sigfox/LoRa Ilimitado 20-50 km 100 – 600 bps RFID ilimitado 1-5 m** 106 – 424 kbps*** Aunque la mayoría de redes puede conectar un número ilimitado de nodos, el ancho de banda se dividirá por el número de usuarios. 5G es el que mejor gestiona esta problemática * Extensible con interconexión de puntos de acceso ** El dato es de RFID pasivo. Con RFID activo son hasta 500 m a 433 Mhz. *** Este dato es en NFC, que es el estándar RFID de móviles, que opera a 13.56 MHz
