Modelo de comunicación en equipos de radio definido por software para el uso de espacios en blanco en la banda de tv digital

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(1)MODELO DE COMUNICACIÓN EN EQUIPOS DE RADIO DEFINIDO POR SOFTWARE PARA EL USO DE ESPACIOS EN BLANCO EN LA BANDA DE TV DIGITAL. CARLOS JULIAN SABOGAL URIBE PEDRO PABLO HERNANDEZ TRASLAVIÑA. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA INGENIERIA EN TELECOMUNICACIONES BOGOTA D.C 2019.

(2) MODELO DE COMUNICACIÓN EN EQUIPOS DE RADIO DEFINIDO POR SOFTWARE PARA EL USO DE ESPACIOS EN BLANCO EN LA BANDA DE TV DIGITAL. CARLOS JULIAN SABOGAL URIBE PEDRO PABLO HERNANDEZ TRASLAVIÑA. PROYECTO DE GRADO. PhD Luis Fernando Pedraza Martínez Tutor. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA INGENIERIA EN TELECOMUNICACIONES BOGOTA D.C 2019.

(3) Nota de Aceptación ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________. _______________________ Firma del Tutor. _______________________ Firma del Jurado. _______________________ Firma del Jurado. Bogotá Mayo de 2019.

(4) RESUMEN......................................................................................................................................... 1 ABSTRACT ........................................................................................................................................ 2 1.. PLANEACIÓN ............................................................................................................................ 3 1.1. Planteamiento del problema. ........................................................................................... 3. 1.1.1 2. Descripción ............................................................................................................... 3. OBJETIVOS................................................................................................................................ 4 2.1. OBJETIVO GENERAL .......................................................................................................... 4. 2.2. Objetivos Específicos. ....................................................................................................... 4. 3. JUSTIFICACIÓN ......................................................................................................................... 5. 4. MARCO DE REFERENCIA ........................................................................................................... 6 4.1. 5. ESTADO DEL ARTE............................................................................................................. 6. MARCO TEORICO...................................................................................................................... 8 5.1. Antecedentes TDT [6] ....................................................................................................... 8. 5.2. ESPACIOS EN BLANCO ...................................................................................................... 9. 5.3. NORMATIVA Y REGULACIÓN A NIVEL NACIONAL E INTERNACIONAL .............................. 11. 5.4. RFC 7545 ........................................................................................................................ 12. 5.5. ¿Qué es Radio Definido por Software? ........................................................................... 13. 5.6. ¿Qué Significa USRP? ...................................................................................................... 13. 5.7. Características USRP N210.............................................................................................. 14. 5.8. MODULACIÓN OFDM ..........................................................¡Error! Marcador no definido.. 5.8.1 6. DEFINICIÓN OFDM...................................................................................................... 15. METODOLOGIA DE DESARROLLO ........................................................................................... 25 6.1. Metodología ................................................................................................................... 25. 6.2 IMPLEMENTACIÓN DE LA COMUNICACIÓN MAESTRO ESCLAVO CON EQUIPOS DE RADIO DEFINIDO POR SOFTWARE ......................................................................................................... 26 6.2.1. Bloques Del Modulador o Transmisor ..................................................................... 26. 6.2.2. Bloques Del Demodulador o Receptor .................................................................... 33. 6.3. RESULTADOS OBTENIDOS ............................................................................................... 43. 6.3.1. MODULACIÓN OFDM.............................................................................................. 44. 6.3.2. DEMODULADOR OFDM .......................................................................................... 48. 6.4 ENVIO DE LA INFORMACIÓN DEL EQUIPO DE RADIO DEFINIDO POR SOFTWARE A UNA PLATAFORMA............................................................................................................................. 51.

(5) 6.5 EVALUACIÓN DE PRUEBAS DE CONECTIVIDAD CON LOS EQUIPOS DE RADIO DEFINIDO POR SOFTWARE CON BASE EN PARAMETROS DE CALIDAD DE SERVICIO. ................................... 55 7. CONCLUSIONES ...................................................................................................................... 59. 8. BIBLIOGRAFIA........................................................................................................................... 1.

(6) LISTA DE FIGURAS Figura 1:Cuadro nacional de Atribución de Bandas de Frecuencia [7]. .......................................... 10 Figura 2 Ancho de banda utilizado en la técnica convencional de multiportadora que utiliza la frecuencia de multiplexado. ........................................................................................................... 15 Figura 3 Ancho de banda utilizado en OFDM. ............................................................................... 15 Figura 4: Diagrama de Bloques de un Modulador OFDM. ............................................................. 15 Figura 5:Representación de ISI debido al retardo multitrayecto. .................................................... 17 Figura 6:Representación de un símbolo OFDM con CP. ................................................................ 18 Figura 7: Estructura de los símbolos OFDM utilizando símbolos de formación (a) y subportadoras piloto (b) ........................................................................................................................................ 21 Figura 8:Integración Matlab con comunicación maestro-esclavo GNU radio. . ¡Error! Marcador no definido. Figura 9: Implementación del diagrama de bloques de GNU Radio para la transmisión OFDM. .... 27 Figura 10:Bloque File Source......................................................................................................... 27 Figura 11:Bloque Stream To Tagged Stream.................................................................................. 28 Figura 12:Bloque Stream CRC32 ................................................................................................... 28 Figura 13:Bloque Protocol Formatter ............................................................................................. 29 Figura 14:Bloque Repack Bits ....................................................................................................... 29 Figura 15:Bloque Chunks to symbols Header(cabecera) ................................................................ 30 Figura 16:Bloque Chunks To symbols Payload(carga útil) ............................................................. 30 Figura 17:Bloque Tagged Stream Mux .......................................................................................... 30 Figura 18:Bloque OFDM Carrier Allocator.................................................................................... 31 Figura 19:Bloque FFT .................................................................................................................... 31 Figura 20:Bloque OFDM Cyclic Prefixer....................................................................................... 32 Figura 21:Bloque Multiply Const ................................................................................................... 32 Figura 22:Bloque Tag Gate ............................................................................................................ 32 Figura 23:Bloque Usrp Source ....................................................................................................... 33 Figura 24:Implementación del diagrama de bloques de GNU Radio para el Receptor OFDM. ....... 34 Figura 25:Bloque UHD USRP Source............................................................................................ 35 Figura 26:Bloque Schmidl & Cox OFDM Synch. .......................................................................... 35 Figura 27:Bloque Delay ................................................................................................................. 36 Figura 28:Bloque Multiply. ............................................................................................................ 36 Figura 29:Bloque Frecuency Mod .................................................................................................. 36 Figura 30:Bloque Header/Payload Demux ..................................................................................... 37 Figura 31:Bloque Packet Header Parser ......................................................................................... 38 Figura 32:Bloque Constellation Decoder........................................................................................ 38 Figura 33:Bloque FFT .................................................................................................................... 39 Figura 34:OFDM Channel Estimation ............................................................................................ 39 Figura 35:Bloque OFDM Frame Equalizer .................................................................................... 40 Figura 36:Bloque OFDM Serializer ............................................................................................... 41 Figura 37:Bloque Repack Bits ....................................................................................................... 41 Figura 38:Bloque Stream CRC32 ................................................................................................... 42 Figura 39:Bloque Tag Debug ......................................................................................................... 42 Figura 40:Bloque File Sink ............................................................................................................ 43.

(7) Figura 41:Generador de Paquetes. .................................................................................................. 44 Figura 42: Generador de Paquetes Scope. ...................................................................................... 44 Figura 43:Bloques De Multiplexado .............................................................................................. 45 Figura 44:Salida Multiplexado. ...................................................................................................... 45 Figura 45:Implementación OFDM ................................................................................................. 46 Figura 46:Implementación OFDM. ................................................................................................ 46 Figura 47:Implementación OFDM ................................................................................................. 47 Figura 48:Transmisión OFDM. ...................................................................................................... 47 Figura 49:Recepción Y Detección de Símbolos OFDM. ................................................................ 48 Figura 50:Detección de Símbolos OFDM. ..................................................................................... 48 Figura 51:Estimación y Ecualización. ............................................................................................ 49 Figura 52: Estimación y Ecualización. ........................................................................................... 49 Figura 53:Recuperación de Datos................................................................................................... 50 Figura 54:Recuperación de Datos y Salida. .................................................................................... 50 Figura 55: Interfaz Gráfica de Matlab “Programa TX”. ....................¡Error! Marcador no definido. Figura 56:Interfaz Gráfica de Matlab “Programa RX”. .................................................................. 53 Figura 57:Datos enviados al servidor. ..............................................¡Error! Marcador no definido. Figura 58: Captura por medio de wireshark de la información. ...................................................... 55 Figura 59: Captura por medio de wireshark de la información. ...................................................... 55.

(8) RESUMEN Este trabajo tiene como fin dar a conocer la medición de los espacios en blanco de TV que se encuentran en Bogotá, ya que son canales no usados en algunas zonas geográficas y pueden emplearse para el uso de diversas aplicaciones, esto sin causar interferencia para ninguno de los usuarios circundantes de las estaciones o antenas de telecomunicaciones las cuales pueden ser de gran ayuda para mejorar la red de internet en zonas de difícil acceso, ya sea por cobertura o por altos costos, y se podría mejorar por medio de una buena velocidad de datos y un fácil despliegue a muy bajo costo de implementación. Actualmente en Colombia el 99% de los municipios cuenta con 36 servicios de televisión radiodifundida, de los cuales solo son utilizados 10 canales sin embargo actualmente se encuentran en funcionamiento 17 canales los cuales son (Canal caracol HD, Canal caracol HD2, La kalle , BluRadio, Canal RCN HD, NTN 24, RCN la Radio, La FM, Radio Uno, Señal Colombia, Canal institucional, Canal Uno, Radio Nacional De Colombia, Radiónica, Canal Trece, City TV, El Tiempo Televisión)[1] que se encuentran en la banda de Frecuencias Ultra Altas UHF, esto permite el aprovechamiento de las ventajas que se tienen al propagar estas señales. En este proyecto se pretende utilizar un dispositivo maestro que se conectará vía Internet, confirmando con la base de datos los canales disponibles para dicha conexión. Luego el dispositivo maestro selecciona automáticamente el canal que no interfiera la señal de televisión y que presente el menor piso de ruido en la transmisión. Cada 24 horas el dispositivo maestro verifica la disponibilidad de canales libres, para tener siempre actualizado los espacios que se pueden utilizar.. 1.

(9) ABSTRACT This work aims to publicize themeasurement of TV blank spaces foundin Bogota, as they a re channels not usedin some geographical areas and can beused for the use of various ap plications, this without causing interference to anyof the users surrounding stations ortelec ommunications antennas which canbe of great help to improve the Internetnetwork in area s difficult to access, either by coverage or high costs, andcould be improved by means of g ooddata speed and easy deployment at verylow implementation cost. At present in Colombia 99% of themunicipalities have 36 radio broadcasttelevision service s, of which only 10 channels are used, however 17 channelsare currently in operation whic h are(Canal caracol HD, Canal caracol HD2, Lakalle , BluRadio, Canal RCN HD, NTN 24, RCN la Radio, La FM, Radio Uno, SeñalColombia, Canal institucional, Canal Uno, Radio Nacional De Colombia, Radiónica, Canal Trece, City TV, El TiempoTelevisión)[1] that are i n the Ultra HighFrequencies UHF band, this allows you to take advantage of the advantag es ofpropagating these signals. This projectaims to use a master device that will beconnec ted via Internet, confirming withthe database the channels available forthat connection. Th e master device thenautomatically selects the channel thatdoes not interfere with the TV si gnal andhas the lowest noise floor in thetransmission. Every 24 hours the masterdevice ve rifies the availability of freechannels, to always have updated thespaces that can be used.. 2.

(10) 1. PLANEACIÓN 1.1 Planteamiento del problema.. 1.1.1 Descripción En la actualidad el problema al tratar de conectar banda ancha con zonas de difícil acceso es el alto costo que tiene el implementar cableado para llegar a los hogares, viendo esto se plantea hacer uso del espectro y optimizarlo para así poder llegar con Internet de Banda Ancha por medio de los Espacios en blanco que genera la Televisión Digital Terrestre al transmitir su señal.. 3.

(11) 2. OBJETIVOS. 2.1 OBJETIVO GENERAL •. Desarrollar un modelo de comunicación en equipos de Radio definido por software para el uso de espacios en Blanco en la banda de TV digital.. 2.2 Objetivos Específicos. •. Implementar la comunicación maestro esclavo con equipos de Radio Definido por Software para Transmitir parámetros como condiciones de terreno, ganancia de la antena y factores de potencia en la banda de TV digital.. •. Enviar la información del equipo de Radio Definido por Software a una plataforma con base en el Protocolo IEFT a una plataforma dispuesta en un servidor.. •. Evaluar las pruebas de conectividad de los equipos de radio definido por software con la plataforma con base en parámetros de Calidad de Servicio.. 4.

(12) 3. JUSTIFICACIÓN. Se pretende hacer el uso de equipos secundarios como lo son los Radios definidos por software, los cuales permiten una mejor utilización y aprovechamiento del Espectro radioeléctrico, que se Transmite por medio de las antenas de Televisión para así poder llegar a lugares en los cuales el Transporte de datos no es fácil y es costoso. Adicionalmente en la actualidad muchos países han puesto en marcha el manejo de equipos de espacios en blanco procurando no generar interferencias en los servicios de UHF con las frecuencias previamente atribuidas a cada servicio generando acceso a internet de Banda Ancha, para evitar este problema se tendrán en cuenta los factores de potencia, ganancia de la antena, condiciones del terreno, especificando la implementación punto a punto o punto a multipunto y la altura máxima de la antena así haciendo un uso más eficiente del espectro.. 5.

(13) 4. MARCO DE REFERENCIA. 4.1 ESTADO DEL ARTE PROTOTIPO DE IEEE 802.11AF-BASADO EN BANDA BASE DE IC HABILITANDO DISPOSITIVOS COMPACTOS PARA SISTEMAS DE RED DE ÁREA LOCAL INALÁMBRICA EN TV EN ESPACIOS EN BLANCO. En este trabajo, se presentó el primer prototipo del IEEE 802.11af- basado en Banda base (BB) de circuitos integrados (IC) permitiendo compacta, bajo consumo de energía y bajo costo incluso TV (espacio en blanco) TVWS dispositivos. Aunque ha sido ya más de tres años desde que la IEEE 802.11af fue estandarizada en diciembre de 2013 como una red de área local inalámbrica (WLAN) utilizando el sistema TVWS, el IEEE 802.11af- basado en este Sistema no ha sido desplegado comercialmente, pero, debido a dificultades en la reducción, ahorro de energía, reducción de costes, etc. Además, Se ha logrado un prototipo de tipo tarjeta compacta TVWS dispositivos en paquete todo en uno, incluyendo una antena. La practicidad del prototipo BB IC está demostrado por caracterizar el tipo de tarjeta TVWS dispositivos en cuanto a la transmisión y recepción en rendimiento y resultados. Índice de términos de procesamiento de señal de banda base, IEEE 802.11af, un circuito integrado (IC), prototipo, TV-Espacios en Blanco (TVWS)[1].. ANÁLISIS SISTEMÁTICO DE LA GEOLOCALIZACIÓN Y DETECCIÓN DE ESPECTRO COMO MÉTODOS DE ACCESO A TV ESPACIO EN BLANCO El acceso a la televisión por espacio en blanco viene con un gran desafío técnico: Los dispositivos de espacios en Blanco potencialmente puede interferir con las señales de televisión. Dos métodos han sido sugeridos en la literatura para ayudar a identificar dispositivos sin usar el espacio en blanco de canales en la banda de frecuencias de televisión para que puedan evitar causar interferencias perjudiciales a los servicios primarios protegidos legalmente para funcionar en la banda. Estos métodos están basados en la ubicación geográfica y la base de datos del espectro de detección de espectro. Las discusiones en la literatura han puesto mucho énfasis en las limitaciones del enfoque de detección del espectro y se basa principalmente en el mundo desarrollado el medio ambiente haciendo caso omiso de los requisitos de rendimiento de la base de datos geoubicación de enfoque y cómo la ausencia de estos requisitos en una región en desarrollo podría afectar a su rendimiento. Este trabajo considera un análisis más amplio de los enfoques por mirar los factores que pueden afectar el rendimiento de cada enfoque y cómo la presencia o ausencia de estos factores en una región desarrollada o en desarrollo región puede afectar su rendimiento. Al hacerlo, el documento destaca la necesidad de llevar a cabo más investigaciones sobre el rendimiento de detección de espectro en las regiones en desarrollo, donde hay un montón de espacios en blanco para determinar su uso en estas regiones [2].. 6.

(14) UNA SOLUCIÓN PARA LA COEXISTENCIA DE LA OFDM Y FH SEÑALES BASADAS EN LOS PRINCIPIOS DE LA RADIO COGNITIVA IMPLEMENTADO EN UNA PLATAFORMA EN USRP N210 Un nuevo concepto de desarrollo y aplicación práctica de secundaria basada en OFDM enlace cognitivo se presentan en este documento. Coexistencia de usuario secundario empleando Multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) y principal usuario empleando Frequency Hopping (FH) es alcanzado. Enlaces secundarios y primarios se realizan utilizando el software Universal Radio periférico (USRP) N210 plataformas. Las funciones cognitivas de espectro de detección y cambiar los parámetros de transmisión están implementadas. Se presentan algunos resultados experimentales [3].. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE COMUNICACIONES PARA TRANSMITIR VOZ EN TIEMPO REAL UTILIZANDO LA TECNOLOGÍA SDR EN DISPOSITIVOS USRP E110 Y N210 Los dispositivos SDR junto con la herramienta de Software GNU Radio han tomado el diseño de los sistemas de comunicaciones por radio a un nuevo nivel. Esta tecnología utiliza un software para el procesamiento de bloques que sustituye a todo lo que es ahora implementado en la capa física de hardware. Mediante el diseño de un software de sistema de radio, este documento muestra la aplicación de voz en tiempo real Tx y Rx con la radio de GNU como software, y algunos esquemas de modulación a través USRP E110 y la N210 de dispositivos [4].. MÁS DE 550 BENEFICIADOS POR PROYECTO TVWS El incremento de las aplicaciones móviles está generando cada vez más mayor demanda de espectro. Técnicas cognitivas y la introducción de mejores estrategias de espectro son algunas de las alternativas que se presentan para hacer frente a esta creciente demanda. La gestión basada en el desarrollo de usuarios secundarios que permita hacer uso de los espacios blancos en la Televisión (TVWS), representa una alternativa que está siendo analizada y evaluada alrededor del mundo. Una de las principales ventajas de las transmisiones que operan en la banda de la TDT (Televisión Digital Terrestre) es que presenta mejores condiciones de propagación que las frecuencias en donde opera Wifi y sistemas de 3G y 4G arriba de 1 GHz. Algunas de las aplicaciones propuestas para los TVWS incluyen enlaces de última milla para banda ancha en ambientes urbanos, acceso de banda ancha en zonas rurales, agregación de portadoras en 4G, Internet de Todo (IoE) y redes de sensores inalámbricos. En la implementación de redes secundarias haciendo uso de TVWS uno de los factores críticos a regular son los niveles de interferencia que los usuarios de estas redes puedan generar en perjuicio de los usuarios primarios (aquellos que poseen la licencia para hacer uso de estas frecuencias) [5].. 7.

(15) 5. MARCO TEORICO.. 5.1 Antecedentes TDT Desde el año 2008, Colombia adoptó como política pública la decisión de migrar de la Televisión Análoga implementada en 1954 a la Televisión Digital Terrestre (TDT), lo cual se consolidará con el apagón analógico en el año 2019. Lo anterior con el fin de permitir a los consumidores colombianos el acceso en forma gratuita a la oferta de televisión abierta de canales públicos y privados, con calidad de video en alta definición y mejor sonido, además de generar un ahorro significativo en la utilización de un bien finito como el espectro electromagnético (dividendo digital). La decisión de migrar hacia la Televisión Digital Terrestre (TDT), implica importantes esfuerzos en la adecuación de la red de transmisión a cargo de los concesionarios y operadores de la televisión abierta pública y privada; y el cambio en los mecanismos receptores de la señal en los hogares colombianos [6].. PROCESO APAGON TECNOLOGICO - En 2008 Colombia adoptó el estándar DVB-T1 -Para el 2010 se instalaron las primeras estaciones digitales en Bogotá y Medellín que inician operación en el mes de diciembre. Un año después, en 2011, se expidió mediante el acuerdo 004 de 2011, una actualización del estándar a DVB-T2 por varias razones, entre ellas, el aumento de la capacidad de transporte, la mayor robustez y eficiencia en los amplificadores, el uso de redes SFN de mayor cobertura, una menor interferencia en el canal adyacente y nuevos modelos de negocio. También se evalúo el nuevo estándar y se ajustó el plan de expansión de las redes digitales de acuerdo con la nueva determinación adoptada. - En diciembre de 2012, iniciaron operación las estaciones en Santa Marta, Cartagena, Armenia, Pereira, Manizales, Bucaramanga y Cúcuta. Las estaciones en Bogotá y Medellín se mantuvieron en simultánea con el nuevo estándar. - El año pasado, a través de RTVC entran en operación las estaciones que cubren las mismas ciudades ya cubiertas por los CCNP y se adjudica un plan de expansión para alcanzar la cobertura del 70% - En el 2016 entraron en operación estaciones que cubren Riohacha, Villavicencio, Valledupar, Neiva, Pasto, Montería, Sincelejo, Tunja, Ibagué y gran parte de los departamentos de Cundinamarca, Boyacá, Tolima, Antioquia y el Magdalena Medio. - Adicionalmente para diciembre de 2016 se dio apertura la operación en las estaciones que cubren Buenaventura, el Rodadero, Popayán, Norte de Cali, Yumbo y Ciénaga y 8.

(16) mejorarán y ampliarán la cobertura a zonas del norte del Valle, Sur de Córdoba, Norte de Antioquia, Caldas, Risaralda, Magdalena y Cauca. - Se estima que al finalizar el 2019, la transmisión de la señal analógica cese. A partir de esta fecha sólo será posible sintonizar la señal abierta gratuita a través de la TDT [6].. 5.2 ESPACIOS EN BLANCO LOS ESFUERZOS PARA EXPANDIR EL ACCESO A INTERNET USANDO ESPACIOS BLANCOS El aumento del uso de aplicaciones basadas en Internet ha propiciado que algunos sectores del ecosistema se preocupen por encontrar soluciones para mejorar la conectividad. Los usuarios desean conexiones más estables y más veloces, para lo cual la fibra óptica representa una buena opción. Sin embargo, existen regiones apartadas donde este medio no es la mejor solución, por lo que las conexiones inalámbricas se convierten en la mejor alternativa. Los espacios blancos de la televisión son parte de este segundo grupo y empresas como Facebook y Microsoft han comenzado a enfocar sus esfuerzos en utilizar esta tecnología.. LOS ESPACIOS BLANCOS Y LA TRANSICIÓN A LA TV DIGITAL La televisión, ya sea en blanco y negro o a color, siempre había hecho uso de señales analógicas. Desde hace algunos años el sector se encuentra en un proceso de transición al formato digital. El cambio se está dando prácticamente en todo el mundo, aunque a ritmos diferentes en función de la región. Estados Unidos, por ejemplo, ya completó su proceso de transición. Prácticamente todos los países de América Latina se encuentran justo en el camino para lograrlo, mientras que en países menos desarrollados como los ubicados en África se espera que la transición culmine en 2021. Este cambio tecnológico tiene impacto en Internet por dos razones principales, ambas relacionadas con el aprovechamiento del espectro radioeléctrico, que es el medio utilizado para difundir las señales de televisión. Por una parte, la transición a la TV digital está liberando una banda de frecuencias ubicadas entre 470 y 698 MHz, mejor conocida como banda de 700 MHz o dividendo digital. En ella solían operar los canales 52 al 69 de televisión, pero ahora ese espacio podrá ser utilizado por operadoras de telecomunicaciones móviles para ofrecer acceso a Internet.. 9.

(17) Figura 1:Cuadro nacional de Atribución de Bandas de Frecuencia [7].. Por otra parte, una de las ventajas que ofrece la tecnología digital es que se reduce el riesgo de interferencias entre canales. Con las señales analógicas, es necesario dejar canales vacíos como bandas de guarda, a fin de evitar la interferencia entre dos o más señales que se estén difundiendo. Un ejemplo de este caso es la Ciudad de México, donde operan los canales 2, 4, 5, 7, 9, 11, 13, 22, 28 y 40, pero los canales como el 3, 6, 8, 10 o 12 no son utilizados para transmitir por la interferencia generada por las otras señales. La ventaja con la tecnología digital es que, una vez completada la transición, estos espacios podrán seguir existiendo, pero no necesariamente como una guarda para evitar interferencias. Justo estos canales que permanecen sin utilizar por las televisoras son los espacios blancos y varían en función de las estaciones de televisión que operen en cada localidad. EL USO DE LOS ESPACIOS BLANCOS PARA OFRECER ACCESO A INTERNET Al observar que la transición a la TV digital permite que existan segmentos de espectro radioeléctrico que permanecen ociosos, la industria y la comunidad técnica se han dado a la tarea de buscar un uso útil para esas frecuencias. El desarrollo del estándar 802.22 por parte de la IEEE es una muestra de este tipo de esfuerzos. Estados Unidos es uno de los países que lleva la delantera en el desarrollo de esta tecnología. La complejidad de su utilización radica en que es necesario un sistema de radios que puedan conectarse a una base de datos que contenga las frecuencias libres de cada localidad. Así, los dispositivos de una región podrán saber en qué frecuencias operar para. 10.

(18) acceder a Internet en función de los canales que no sean utilizados por las televisoras de esa localidad en especial. Lo contrario provocaría interferencias indeseables [8]. La alianza comercial de Microsoft con SpectraLink Wireless y su alianza en investigación con Facebook consistirán en implementar redes inalámbricas que brinden cobertura para los campus de la Universidad All Nations y el Koforidua Polytechnic. Esta implementación piloto forma parte de la Iniciativa 4Afrika de Microsoft, la cual busca ayudar a mejorar el nivel competitivo global del continente. Uno de los objetivos principales de la Iniciativa 4Afrika es facilitar el acceso masivo a la tecnología y empoderar a los estudiantes, empresarios y desarrolladores africanos para que se conviertan en ciudadanos globales más activos. Para los estudiantes y los miembros de facultad de las universidades, el acceso a la red estará acompañado de aplicaciones de productividad y comunicación, así como de dispositivos habilitados para el Internet. Las redes utilizarán radios habilitados para espacios en blanco de televisión y otras tecnologías inalámbricas para conectar tanto los edificios dentro de las universidades como los hostales fuera de campus donde residen los estudiantes, lo cual asegurará que cuenten con acceso a banda ancha rápida. El proyecto operará bajo una licencia para el proyecto piloto de espacios en blanco de televisión otorgada por la Autoridad Nacional de Comunicaciones de Ghana y es la única licencia para espacios en blanco de televisión actualmente concedida en África Occidental [9].. 5.3 NORMATIVA Y REGULACIÓN INTERNACIONAL. A. NIVEL. NACIONAL. E. En la tabla 1 se muestran las normas internacionales para la televisión digital terrestre, mientras, en la tabla 2 se muestran las normas que rigen a nivel nacional.. Nombre. Numero de acuerdo. Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television SERIES H: Audiovisual and Multimedia Systems. Infraestructure of audiovisual services –Coding of Moving Video Digital Video Broadcasting (DVB); Specification for Service Information (SI) in DVB systems. Fecha. Entidad. País. ETSI EN 300 744 V1.5.1. Noviembre 2011. ETSI. Francia. ITU-T H.264. Junio de 2011. UIT. .. ETSI EN 300 468 v1.5.1. may-03. ETSI. Francia. Tabla 1 Normas Internacionales. 11.

(19) Numero de acuerdo. Nombre Proyecto por medio del cual se reglamenta la prestación del servicio público de televisión radiodifundida en tecnología digital terrestre – TDT. Estudio del impacto de la actualización al estándar de televisión digital terrestre DVBT2 Proyecto acuerdo por el cual se modifica el artículo 1 y 7 del acuerdo 8 de 2010 y se actualiza el estándar para la televisión digital terrestre en Colombia Acuerdo por el cual se adopta para Colombia el estándar de televisión digital terrestre DVB-T y se establecen las condiciones generales para su implementación. Acuerdo por medio del cual se establecen condiciones técnicas para la prestación del servicio de televisión radiodifundida en tecnología digital en Colombia.. Articulo 1 y 7 del acuerdo 8 de 2010. Acuerdo 8. Fecha. Entidad. Ciudad. 2011. Comisión nacional de televisión CNTV. Bogotá D.C.. 2 de agosto de 2011. Comisión nacional de televisión CNTV. Bogotá D.C.. 2010. Comisión nacional de televisión CNTV. Bogotá D.C.. 22 de diciembre de 2010. Comisión nacional de televisión CNTV. Bogotá D.C.. 4 de febrero de 2011. Comisión nacional de televisión CNTV. Bogotá D.C.. Tabla 2 Normas Nacionales. 5.4 RFC 7545 IETF (Internet Engineering Task Force) PAWS (Protocol to Access WS database) Este es un protocolo para acceder a las bases de datos de sistemas que utilicen espacios blancos. Este protocolo asume que los dispositivos (generalmente maestro) a utilizar están conectados a internet, lo mismo que la base de datos. El dispositivo maestro dependiendo de su ubicación, obtiene (estática o dinámicamente) el URI para una base de datos apropiada, este dispositivo maestro establece una sesión HTTPS con la Base de datos, el cual envía un mensaje de inicialización a la base de datos para intercambiar capacidades. Si la base de datos recibe un mensaje de inicialización, responde con un mensaje de respuesta de inicialización en el HTTP, después envía un mensaje de solicitud de espectro disponible a la base de datos. El mensaje puede estar en nombre de un dispositivo esclavo que hizo una solicitud al Dispositivo Maestro. Si el Dispositivo Maestro está haciendo una solicitud en nombre de un Dispositivo Esclavo, el Dispositivo Maestro puede verificar con la Base de Datos que El dispositivo esclavo puede funcionar. La base de datos responde con una respuesta de espectro disponible en el cuerpo del mensaje HTTP. El dispositivo maestro puede enviar un mensaje de notificación de uso de espectro a la base de datos, la notificación es puramente informativa; notifica a 12.

(20) la base de datos que espectro va a utilizar el dispositivo maestro y no es una solicitud a la base de datos para obtener permiso, ya que algunas bases de datos pueden requerir la notificación del uso del espectro como lo pretende la ANE (Agencia Nacional del Espectro) en Colombia. [10]. 5.5 Radio Definido por Software El término “Radio Definido por Software” fue acuñado por Joe Mitola en 1991 para referirse a “radios” reconfigurables. Es decir, una misma pieza de hardware capaz de realizar diferentes funciones en diferente tiempo. De esta manera plantea el hecho de contar con un dispositivo de hardware de “propósito general” en el ámbito de comunicaciones. Este concepto ha logrado abrir un amplio panorama de oportunidades para la industria de las comunicaciones y la investigación en ese mismo sentido. Existen diferentes conceptos del término SDR es por ello por lo que sólo se hará mención de 3 de sus definiciones más importantes. 1) SDR es una radio sustancialmente definida por software y cuyo comportamiento en la capa física del modelo OSI puede ser considerablemente alterado a través de cambios en su software. 2) SDR es un término utilizado para describir software de control para una aplicación de radio el cual provee técnicas de modulación, operaciones de banda angosta y banda ancha, funciones de seguridad en comunicaciones y requerimientos de forma de onda. 3) SDR es un sistema de comunicación por radio en donde los componentes que se han implementado por hardware (por ejemplo, mezcladores, filtros, amplificadores, moduladores, demoduladores, detectores, etc.,) ahora se implementarán utilizando software en una computadora u otros dispositivos. SDR es una tecnología creada para mejorar la interoperabilidad entre diferentes servicios. La tecnología SDR está compuesta de software y hardware, y puede ser reconfigurada dinámicamente para habilitar comunicaciones entre una amplia variedad de normas de comunicaciones, protocolos y radio enlaces. SDR permite crear dispositivos inalámbricos y equipo de redes multibanda y multifuncionales, que pueden ser dinámicamente reconfigurados, o a través de actualizaciones de software y reconfiguraciones de hardware. [11]. 5.6 USRP El Universal Software Radio periférico (USRP) permite a los ingenieros diseñar rápidamente e implementar software potentes y flexibles sistemas de radio. El intuitivo diseño USRP, junto con una amplia selección de placas hija cubriendo una amplia gama de frecuencias, le ayuda a conseguir su software radio en marcha rápidamente. Simplemente descargue la radio de GNU, un completo software de fuente abierta y procesamiento de señales de radio, 13.

(21) y el USRP paquete está listo para su uso. Una vez que instale el software y conecte el USRP en un equipo host, está listo para transmitir y recibir una variedad prácticamente ilimitada de señales. El verdadero valor de la USRP es lo que permite a los ingenieros y diseñadores para crear un presupuesto bajo y con un mínimo de esfuerzo. Una gran comunidad de desarrolladores y usuarios han contribuido a una considerable base de código y proporciona muchas aplicaciones prácticas para el hardware y el software. La potente combinación de hardware flexible, el software de fuente abierta y una comunidad de usuarios experimentados lo convierte en la plataforma ideal para el desarrollo de la radio de su software. [12]. 5.7 Características USRP N210 El USRP N210 ofrece un alto ancho de banda de SBX(400 MHz-4400 MHz) WBX (50 MHz to 2200 MHz) XCVR2450 (Tx(2400-2500 MHZ) – Rx(4900-5900MHz)) ,rango dinámico de alta capacidad de procesamiento de SBX (400 MHz-4400 MHz) WBX (50 MHz to 2200 MHz) XCVR2450 (Tx(2400-2500 MHZ) – Rx(4900-5900MHz)) . El USRP N210 está diseñado para las exigentes aplicaciones de comunicaciones que requieren este tipo de rápido desarrollo. El producto incluye una arquitectura de desarrollo Xilinx® Spartan® 3A-DSP, FPGA 3400 100 MS/s dual ADC, 400 MS/s dual DAC y conectividad Gigabit Ethernet para transmitir datos a y desde procesadores de host. Un diseño modular permite la USRP N210 para operar desde DC a 6 GHz, mientras que un puerto de expansión permite que varios dispositivos de la serie N210 USRP se sincronicen y se utiliza en una configuración MIMO. Un módulo GPSDO opcional puede utilizarse también para disciplinar el USRP N210 reloj de referencia a 0,01 ppm de GPS estándar en todo el mundo. El USRP N210 puede transmitir hasta 50 MS/s a y desde las aplicaciones del host. Los usuarios pueden implementar funciones personalizadas en la tela, o FPGA en la junta softcore RISC de 32 bits. El USRP N210 proporciona una FPGA más grande que el USRP N200 para aplicaciones que exigen una lógica adicional, memoria y recursos DSP. La FPGA también ofrece la posibilidad de procesar hasta 100 MS/s en las direcciones de transmisión y de recepción. El firmware FPGA puede ser recargada a través de la interfaz Gigabit Ethernet. [13]. 5.8 MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN DE FRECUENCIAS ORTOGONALES (OFDM por sus siglas en ingles) OFDM es una técnica de transmisión multiportadora en la que se divide un flujo de datos de alta velocidad en N flujos de menor velocidad que se transmiten simultáneamente y se superponen garantizando la ortogonalidad entre los flujos transmitidos [14]. Este método ha sido adoptado por varios estándares inalámbricos como Wireless Metropolitan Area Network (WMAN), Wireless Local Area Network (WLAN), Digital Audio Broadcasting (DAB) y Digital Video. Radiodifusión (DVB) [15], porque hace que el sistema de comunicación sea más resistente a el desvanecimiento selectivo en frecuencia y la interferencia de banda estrecha, que son las típicas degradaciones que ocurren en las transmisiones inalámbricas [16]. Además, la superposición de los cables de los subcanales a un ahorro considerable del espectro disponible, en comparación con los sistemas clásicos de transmisión 14.

(22) multiportadora que utilizan multiplexación por división de frecuencia cuando no hay solapamiento entre los subcanales, la figura 2 y la figura 3 ilustran esta comparación.. Figura 2 Ancho de banda utilizado en la técnica convencional de multiportadora que utiliza la frecuencia de multiplexado.. Figura 3 Ancho de banda utilizado en OFDM.. En la Figura 4 se ilustran los bloques de un modulador OFDM, los cuales serán explicados en la sección 5.8.1.. Figura 4: Diagrama de Bloques OFDM.. 5.8.1 DIAGRAMA DE BLOQUES OFDM Un símbolo OFDM se compone de varias subportadoras que se superponen ortogonalmente para evitar la interferencia entre portadoras (ICI) [14]. Cada una de estas N subportadoras contendrá una corriente de símbolos complejos 𝑠𝑘 donde k = 0,1, . . . . , N − 1}. 𝑠𝑘 se obtiene por mapeo de los datos iniciales a una constelación seleccionada de Mario, por ejemplo, Quadrature Phase Shift Key(QPSK) o M-ario Quadrature Amplitude Modulation (M-QAM), a una tasa específica. 1. 𝑇𝑠. , donde 𝑇𝑠 es el tiempo de duración del. símbolo modulado M-ario. Que 𝑠𝑛 sea la banda base OFDM representación de la señal en el dominio temporal discreto, que puede escribirse como se observa en la ecuación 1.. 15.

(23) 𝑗2𝜋𝑓𝑘 𝑛𝑇𝑠 𝑠𝑛 = 𝑆(𝑛𝑇𝑠 ) = ∑𝑁−1 , 𝐾=0 𝑆𝑘𝑒. 0 ≤ 𝑛𝑇𝑠 ≤ 𝑇𝑠𝑦𝑚 (1). Donde 𝑇𝑠𝑦𝑚 = 𝑛𝑇𝑠 representa el período de símbolo OFDM y 𝑓𝑘 =. 𝑘 𝑇𝑠𝑦𝑚𝑏𝑜𝑙. , representa la 𝑘 𝑡ℎ. subportadora en la señal OFDM. La ecuación 2 Puede ser reconocida como la Transformada Discreta Inversa de Fourier (IDFT), lo que significa que 𝑆𝑛 = 𝐼𝐷𝐹𝑇{𝑆𝑘 }. (2). La ecuación 2 muestra que una señal OFDM puede ser construida usando un IDFT y demodulado usando una Transformada Discreta de Fourier (DFT). Tanto DFT como IDFT pueden ser implementado con la Transformada Rápida de Fourier (FFT) de baja complejidad cuando N es una potencia de 2 [17]. Por esta razón y debido al hecho de que este método permite la implementación de técnicas sencillas de ecualización en el dominio de la frecuencia, como Zero Forcing ZF, La modulación OFDM se hizo muy popular en las comunicaciones modernas [18]. Las señales periódicas de tiempo discreto se definen como ortogonales entre sí si la suma de su producto durante un período es cero. En las señales de las portadoras OFDM esto se puede mostrar observando la señal exponencial discreta del dominio de tiempo. 𝐶𝑘 = {𝑒 𝑗2𝜋𝑓𝑘 𝑛𝑇𝑠 }N − 1 k = 0 (3) dónde 0 ≤ 𝑛𝑇𝑠 ≤ 𝑇𝑠𝑦𝑚 y n = 0,1,. . . . . . . ,N -1; para que sean ortogonales deben verificar lo siguiente[15]. 𝑁−1. 𝑁−1. 𝐾=0. 𝑛=0. 𝑘 𝑖 1 1 𝑗2𝜋 𝑛𝑇𝑠 −𝑗2𝜋 𝑛𝑇 𝑇𝑠𝑦𝑚 𝑠 ∑ 𝑐𝑘 𝑐𝑘 = ∑ 𝑒 𝑇𝑠𝑦𝑚 𝑒 = 𝑁 𝑁. =. 1 𝑁. ∑𝑁−1 𝑛=0 𝑒. 𝑘 𝑛𝑇𝑠 𝑁𝑇𝑠. 𝑗2𝜋. 𝑒. 𝑖 𝑛𝑇𝑠 𝑁𝑇𝑠. −𝑗2𝜋. =. 1 𝑁. 𝑘−𝑖. 𝑗2𝜋 𝑁 ∑𝑁−1 𝑛=0 𝑒. 𝑛. 1, 𝑘 = 𝑖 ={ } 0, 𝑘 ≠ 𝑖. (4). La ecuación 4 muestra lo que debe ser verificado para que diferentes subportadoras como 𝑘 e 𝑖 no sufrirá de ICI.. 16.

(24) 5.8.1.1 INTERVALO DE GUARDA Uno de los principales problemas de las comunicaciones inalámbricas a través de canales con dispersión en el tiempo es la posibilidad de recibir réplicas en diferido de la señal transmitida, fenómeno que se denomina efecto multitrayecto [19]. Estas copias se producen cuando la señal transmitida se encuentra con obstáculos, como edificios o árboles, que pueden reflejar, absorber o dispersar la señal original y, en consecuencia, la creación de copias retardadas con diferentes ganancias. En la recepción, estas réplicas pueden llevar a una interferencia entre símbolos (ISI) como resultado de la superposición. entre la cola del símbolo real con el comienzo de la réplica retrasada, la figura 5 ilustra este fenómeno. Para hacer frente a los diferenciales de retardo y a los efectos resultantes, en las comunicaciones OFDM los sistemas recurren a bandas de guarda que se añaden a los símbolos OFDM. Hay tres tipos de bandas de guarda: prefijo cíclico (CP), sufijo cíclico (CS) y relleno cero (ZP) [20].. Figura 5:Representación de ISI debido al retardo multitrayecto.. 5.8.1.1.1 PREFIJO CICLICO. El esquema CP es una extensión cíclica del símbolo OFDM donde una copia de los bits de cola se añade al principio del símbolo. Esto proporciona una cierta periodicidad al símbolo que, en consecuencia, permitirá convertir la convolución lineal inherente a la recepción en una circunvalación circular. Además, asegura que siempre va a haber un OFDM completo en la ventana FFT. Esto crea un método fácil para eliminar las consecuencias de ISI e ICI manteniendo la ortogonalidad.. 17.

(25) Uno de los problemas de estos métodos es el desperdicio de recursos, ya que aumenta la Longitud del símbolo OFDM con datos no útiles, lo que disminuye la velocidad de transmisión efectiva. La figura 6 representa un símbolo OFDM con CP, donde Tsym es la longitud del símbolo OFDM en la salida del transmisor.. Figura 6:Representación de un símbolo OFDM con CP.. 5.8.1.1.2 SUFIJO CICLICO El sufijo cíclico (CS) es también una extensión cíclica del sistema OFDM. Es diferente de CP sólo en que CS es la copia de la parte de la cabeza de un símbolo OFDM, y se inserta al final del símbolo. CS se utiliza para evitar la interferencia entre enlaces de subida y enlaces de bajada, y también se utiliza como intervalo de guarda para salto de frecuencia o convergencia de RF, y así sucesivamente. Tanto CP como CS se utilizan en VDSL basado en Zipper sistemas en los que la técnica Zipper duplexing es una forma de FDD (FrequencyDivision Duplexing) que asigna diferentes bandas de frecuencias (subportadoras) a enlaces de subida y enlaces de bajada en un símbolo OFDM, lo que permite una transmisión bidireccional. flujo de señal al mismo tiempo. Aquí, el propósito de CP y CS es suprimir el efecto ISI del canal multitrayecto, mientras que garantizar la ortogonalidad entre la corriente de subida y la corriente de bajada. Por lo tanto, la longitud de CP se ajusta para cubrir la dispersión de tiempo del canal, mientras que la longitud de CS se ajusta de acuerdo con el parámetro diferencia entre el tiempo de transmisión enlaces de subida y tiempo de recepción de enlaces de bajada.. 5.8.1.1.3 ZERO – PADDING El esquema ZP consiste en añadir un conjunto de ceros al final del símbolo OFDM. Al añadir este grupo de muestras nulas se introduce un componente de redundancia. Sin embargo, si las subportadoras se ven afectadas por diferentes retrasos, la eficacia de esta medida se verá afectada. está comprometido, porque se genera ICI y se pierde la ortogonalidad entre subportadoras. Por estas razones, el método CP es preferible ya que permite la eliminación de la ICI. 18.

(26) 5.8.1.2 EQUALIZACIÓN Cuando una señal, 𝑋𝑘 pasa por un canal real, 𝐻𝑘 , sufre distorsión a causa de ciertos factores introducidos por el canal. Para mitigar estos efectos es necesario hacer una ecualización de la señal. Tomando en consideración lo mencionado en la Sección 5.8.1.1.1, siempre y cuando el ciclo es mayor que la respuesta de impulso del canal después de la FFT, es decir, en el dominio de la frecuencia, entonces la convolución lineal puede convertirse en una convolución circular y, por lo tanto, la señal recibida viene dada por la Ecuación 5 donde 𝑁𝑘 es Ruido Gaussiano blanco Aditivo (AWGN por sus siglas en ingles). 𝑌𝑘 = 𝐻𝑘 𝑋𝑘 + 𝑁𝑘. (5). Hay dos métodos principales para lograr la ecualización de la señal, el Forzado Cero (ZF) [18]. y el error de media cuadrada mínima (MMSE) [20].. (6) Este método es popular ya que tiene una implementación de baja complejidad. Sin embargo, para las portadoras en las que la señal de estimación, 𝐹𝑘 tiene una magnitud baja, es decir, portadoras en el desvanecimiento profundo, entonces el factor aumenta la potencia de ruido. Este problema puede evitarse mediante el uso de MMSE, ya que 𝐹𝑘 está dada por la Ecuación 7.. (7). Aunque puede disminuir la influencia del ruido en la señal recibida, la implementación de este método es compleja, por lo tanto, ZF es el más común y el que más se utiliza. fue implementado en esta disertación.. 19.

(27) 5.8.1.3 ESTIMACIÓN DEL CANAL DE LOS SISTEMAS OFDM En un sistema de comunicación del mundo real, el canal de transmisión no es el ideal, lo cual significa que cuando una señal es enviada a través del aire es afectada por fenómenos que disminuyen el rendimiento del sistema, por ejemplo, el desvanecimiento por trayectos múltiples, el ruido y el desplazamiento de frecuencia. Por lo tanto, para reducir al mínimo estos efectos en la recepción, es crucial estimar el canal y realizar una ecualización. Las técnicas de estimación de canales se pueden clasificar como:. • •. Blind Channel estimation: en estos casos la estimación del estado del canal se obtiene sin cualquier conocimiento de la señal transmitida [15] Data-aided channel estimation: estas técnicas requieren que la señal transmitida lleve información conocida para determinar la respuesta del canal [15].. Las técnicas de estimación a ciegas no necesitan ninguna señal de referencia (entrenamiento) conocida, lo que significa que hay más ancho de banda disponible para información útil. Sin embargo, Como no hay señales de entrenamiento, esta técnica requerirá la recolección de muchos datos, porque este método explota el comportamiento estadístico de la señal recibida [19]. Por otra parte, las técnicas de estimación de canales con ayuda de datos necesitan información conocida que reduzca la cantidad de datos reales que pueden ser transmitidos, pero que permite realizar una rápida estimación fiable comparando la señal recibida y la señal de entrenamiento. En esta disertación, el enfoque se centrará en la estimación del canal asistido por datos porque de la velocidad y la fiabilidad. Entre éstas, las dos técnicas más comunes son las siguientes Estimación de canales con símbolos de entrenamiento, donde los símbolos OFDM se rellenan con símbolos conocidos, información o datos útiles y estimación del canal asistido por piloto en el que se envía la carga útil sobre las subportadoras de datos y la información conocida transmitida sobre las subportadoras piloto, ambas de ellas se ilustran en la figura 7. Esto permite enviar datos útiles y conocidos sobre el mismo símbolo OFDM.. 20.

(28) Figura 7: Estructura de los símbolos OFDM utilizando símbolos de formación (a) y subportadoras piloto (b). 5.8.1.4 SEGURIDAD DE LA CAPA FISICA Hoy en día, el secreto en las comunicaciones inalámbricas es una cuestión crucial, teniendo en cuenta que todos los tipos de datos sensibles son manejados por las redes inalámbricas modernas, por ejemplo, personales, financieras o incluso información médica. Una de las principales cuestiones inherentes a este tipo de comunicaciones es el medio compartido que se utiliza; la naturaleza abierta de este recurso permite a cualquiera dentro del alcance de una red vulnerable para capturar o grabar el tráfico digital. La seguridad se ha logrado tradicionalmente en las comunicaciones inalámbricas a través del uso de protocolos de encriptación implementados en las capas lógicas superiores [21]. Estos métodos se basan en la criptografía para ocultar el mensaje, sin em bargo, en ciertas arquitecturas de red donde los dispositivos finales son de baja complejidad, como en la prevista Internet de las cosas, el empleo del cifrado de datos es una tarea difícil de llevar a cabo. Además, un mensaje codificado con estos protocolos puede ser claramente interceptados a nivel de la capa física, lo que significa que el secreto del mensaje sólo durará mientras no se rompa el cifrado utilizado. Por estas razones ha habido mucho interés en desarrollar métodos de seguridad de la capa física, ya que utilizar las características del canal para codificar el mensaje y, por lo tanto, proporcionar una capa de Seguridad a la red [22].. 5.8.1.5 MODULACIONES OFDM como se dijo, es una técnica de transmisión que consiste en la multiplexación de un conjunto de ondas portadoras, donde cada una transporta información, la cual puede ser modulada por: Modulación de Amplitud en Cuadratura (QAM por sus siglas en inglés) o Modulación por Desplazamiento de Fase (PSK por sus siglas en inglés). 21.

(29) 5.8.1.5.1 QAM QAM se representa con notación compleja usando dos canales, uno conocido como la fase (en inglés In-Phase o I channel) o componente real y la otra denominada cuadratura (en inglés Quadrature Phase o Q channel) o componente imaginaria, como se muestra en la figura 8. A lo largo del texto se usará la notación I para el canal de la fase y Q para para el canal de la cuadratura. La portadora que se usa para llevar una componente al canal I es una señal coseno cos (2πf c t), como la cuadratura está separada una fase de 90° equivalente a π/2 en radianes, la otra portadora está en −sen(2πf c t). Nótese que: (8). Al modular en cuadratura las señales en banda base g 1 (t) y g 2 (t) se produce:. (9). Figura 8: Representación en diagrama de bloques de Modulación QAM. La modulación QAM Analógica permite que dos señales provenientes de dos fuentes independientes, pero con características de ancho de banda similares, ocupen el mismo ancho de banda de transmisión y se puedan separar en el extremo receptor, ahorrando así el uso del ancho de banda disponible.. 22.

(30) Así, si dos señales I(t) Y Q(t) modulan dos señales portadoras de la misma frecuencia, una desfasada en 90° respecto a la otra, mediante el uso de moduladores de producto (que multiplican las señales por la portadora) la señal resultante será expresada matemáticamente de la forma: 𝑠(𝑡) = 𝐼(𝑡) cos(2𝜋𝑓0 𝑡) + 𝑄(𝑡)cos(2𝜋𝑓0 𝑡 − 90°) (10) = 𝐼(𝑡) cos(2𝜋𝑓0 𝑡) + 𝑄(𝑡)sin(2𝜋𝑓0 𝑡) (11) Donde la ecuación 12 nos ayuda a plantear nuestra ecuación matemática, teniendo como resultado: 𝑠(𝑡) = 1.22(𝑡) cos(2𝜋(0.0441𝑀𝐻𝑧)𝑡) − 1.22(𝑡)𝑠𝑒𝑛(2𝜋(0.0441𝑀𝐻𝑧)𝑡) m = 𝑙𝑜𝑔2𝑀. (12). (13). 5.8.1.5.1.1 MODULACIÓN 16QAM Está modulación cuenta con 16 posiciones en su constelación, su entrada es de 4 bits, actualmente se utilizan en aplicación de televisión digital. Manejan una velocidad mayor que la modulación 8psk, una de las desventajas es que son modulaciones con alta precisión de sincronía en el receptor digital como se puede observar en la figura 9. [26]. Figura 9:Modulación 16 QAM (a) tabla de verdad; (b) diagrama fasorial; (c) Diagrama de constelación.. 23.

(31) 5.8.1.5.2 PSK Es una forma de modulación angular que consiste en hacer variar la fase de la portadora entre un número de valores discretos. La señal moduladora es una señal digital y, por tanto, con un número de estados limitado. Dependiendo del número de posibles fases a tomar, recibe diferentes nombres. Así se tiene BPSK (PSK Binario) con 2 fases, QPSK (PSK Cuaternaria) con 4 fases, 8-PSK con 8 fases y así sucesivamente. Las modulaciones BPSK y QPSK son óptimas desde el punto de vista de protección frente a errores. Existen 2 alternativas de modulación PSK: • •. El sistema PSK convencional, el cual, es necesario tener una portadora en el receptor para sincronización, o usar un código para su auto sincronización [23]. El sistema PSK diferencial, en el cual, no se necesita recuperar la señal portadora para realizar la demodulación. Es diferencial puesto que la información no está contenida en la fase absoluta, sino en las transiciones. La referencia de fase se toma del intervalo inmediato anterior, con lo que el detector decodifica la información digital basándose en diferencias relativas de fase [23].. 1.1 Bpsk Emplea solo dos símbolos, con 1 bit de información cada uno. Presenta mayor inmunidad al ruido que las demás, ya que, la diferencia entre símbolos es máxima, es decir 180 grados. Dichos símbolos suelen tener un valor de salto de fase de 0º para el 1 y 180º para el 0 como se muestra en la figura 10. En cambio, su velocidad de transmisión es la más baja de las modulaciones de fase, debido a que cada símbolo solo aporta un bit de información. La descripción matemática de una señal modulada BPSK se observa en la ecuación 14: 𝑆(𝑡) = 𝐴𝑚(𝑡)cos(2𝜋𝑓𝑐 𝑡). (14). donde 𝑚(𝑡) = 1 para el bit 1 y 𝑚(𝑡) = −1 para el bit 0, 𝐴 es la amplitud de la portadora y 𝑓𝑐 su frecuencia.. Figura 10: Diagrama de constelación para BPSK.. 24.

(32) 1.2 QPSK Desplazamiento de fase de 4 símbolos, desplazados entre sí 90 grados. Cada símbolo aporta 2 bits. Suele dividirse el flujo de cada bit que forman los símbolos como I y Q. En la figura 11 se muestra 4 símbolos equidistantes. La asignación de bits a cada símbolo suele hacerse mediante el código Gray, que consiste en que entre dos símbolos adyacentes los símbolos solo se diferencian en 1 bit. Esto se escoge así para minimizar la tasa de bits erróneos [23].. Figura 11 Diagrama de constelación para QPSK con código Gray. 6. METODOLOGIA DE DESARROLLO. 6.1 Metodología • • • • •. Se investigó cuál es la modulación utilizada por la televisión digital en Colombia, la cual, será utilizada en él envío de datos en la comunicación. Se procedió a instalar GNU Radio en un sistema operativo Linux (Ubuntu 16.4), los cuales se encuentran dentro de la rama de software libre. Se hicieron pruebas, simulaciones y desarrollos de comunicaciones utilizando la modulación OFDM. Se realizó una interfaz gráfica, donde, se ingresarán los datos a transmitir tales como: altura del terreno, ganancia de la antena, condiciones del terreno, potencia de transmisión. Los datos se envían mediante el protocolo de HTTPS (en el cual se encuentra IEFT) a un servidor de base de datos, el cual, ya está predefinido.. 25.

(33) 6.2 IMPLEMENTACIÓN DE LA COMUNICACIÓN MAESTRO ESCLAVO CON EQUIPOS DE RADIO DEFINIDO POR SOFTWARE Como se muestra en la figura 12, se observa el proceso por el cual es obtenida la información por medio de una interfaz en Matlab, luego de esto es transmitido por medio de los equipos USRP o Radio Definido por Software “RDS” al llegar al otro dispositivo en el cual se visualiza la información y es enviada a la base de datos dispuesta en el servidor.. TX INTERFAZ MATLAB ESCRITURA ARCHIVO. CODIFICACIÓN. MODULACIÓN. CANAL DE TRANSMISIÓN. LECTURA ARCHIVO. RECONSTRUCCIÓN DEL ARCHIVO. VISUALIZACIÓN INTERFAZ MATLAB. DECODIFICACIÓN. DEMODULACIÓN SINCRONIZACIÓN. RX. ENVIÓ BASE DE DATOS. Figura 12:Integración Matlab con comunicación maestro-esclavo GNU radio.. Teniendo configurados tanto la transmisión como la recepción se dispone a hacer las pruebas, donde se evidencia un problema en la transmisión, ya que al visualizar la modulación y correcto envió de la información hay que repetir el archivo de texto el cual se envía por de los SDR o USRP utilizando la modulación OFDM, ya que en reiteradas ocasiones el primer paquete se pierde, por lo tanto, el texto del archivo llega repetido en varias ocasiones.. 6.2.1 Bloques Del Modulador o Transmisor En esta sección se entrará en detalle en los bloques del flujograma usados para la implementación del modulador para un sistema convencional de transmisión con modulación jerárquica OFDM. En la figura 13 se pueden apreciar numerosos bloques, así como numerosos parámetros de configuración, se entrará en detalle de los bloques que conforman el modulador OFDM, así de las variables externas de las que se hace uso. 26.

(34) Figura 13: Implementación del diagrama de bloques de GNU Radio para la transmisión OFDM.. El transmisor OFDM está construido con bloques del Programa GNU Radio Companion (GRC) En la figura 14 se muestra el bloque “File Source”, el cual, lee valores de datos sin procesar en formato binario del archivo especificado. File: especifica el nombre del archivo de entrada; Output Type: especifica el tipo de datos que se requieren para el proceso en la salida de este bloque, los cuales pueden ser de tipo complejo, flotante, entero, corto, o byte; Repeat: al seleccionar se decide si se lee el archivo una sola vez o se reproduce en un bucle; Vec Length: en esta casilla se especifica la longitud del vector para el procesamiento de vectores.. Figura 14:Bloque File Source. 27.

(35) El bloque “Stream to Tagged Stream” el cual se muestra en la figura 15, es un bloque que funciona en datos de entrada distribuidos, pero en paquetes. Un paquete de datos consta de N bytes. Sin embargo, en los bloques de GNU radio tradicionales, si transmitimos N bytes en un bloque, no hay forma de conocer el límite del paquete. Se usan etiquetas para identificar los límites de los paquetes. En el primer elemento transmitido, debe haber una etiqueta con una clave específica, que almacena la longitud. Si hay algo más, o ninguna etiqueta, esto hará que el tráfico de flujo se bloquee, en consecuencia, este bloque agrega etiquetas a una transmisión y/o obtiene etiquetas de una transmisión. Figura 15:Bloque Stream To Tagged Stream. En el bloque “Stream CRC32” de la figura 16, la Entrada son flujo de bytes, que forman un paquete. El primer byte del paquete tiene una etiqueta con la clave y longitud y el valor es el número de bytes en el paquete. Mientras que en la Salida: Los mismos bytes que entrantes, pero que se arrastran a un CRC32 (es un código de detección de errores) del paquete. La etiqueta se restablece a la nueva longitud.. Figura 16:Bloque Stream CRC32. 28.

(36) Este bloque de la figura 17 “Protocol Formater” toma los paquetes y crea un encabezado, generalmente para el procesamiento a nivel de MAC. Todos estos objetos de formato de encabezado de paquete operan de la misma forma: incorporan los datos de la carga útil y la posible información adicional de meta-datos sobre el paquete; luego devuelve el paquete de salida como un argumento de flujo de datos junto con cualquier cambio en la información de meta-datos del flujo.. Figura 17:Bloque Protocol Formatter. El bloque “Repack Bits” es un bloque que se encarga de volver a empaquetar K bits del flujo de entrada a L bits del flujo de salida, permite indicar si la entrada o la salida está alineada y como se almacenaran estos bytes, en este caso, sera primero el menos significativos LSB (least significant byte por sus siglas en inglés) como se observa en la figura 18.. Figura 18:Bloque Repack Bits. En el bloque “Chunks to Symbols” de la figura 19 (cabecera) se asigna un flujo de índices de símbolos desempaquetados a un flujo de puntos de constelación flotantes o complejos en dimensiones D (D = 1 por defecto). mapea de un flujo de bytes o short en símbolos flotantes o complejos arbitrarios, en este caso, la lista que mapea trozos a símbolos está en la casilla “Symbol Table” que será una constelación bpsk para la cabecera. Mientras que el flujo de datos tiene una constelación qpsk, la cual, se muestra en la figura 20.. 29.

(37) Figura 19:Bloque Chunks to symbols Header(cabecera). Figura 20:Bloque Chunks To symbols Payload(carga útil). El bloque “Tagged Stream Mux” de la figura 21 se usa para multiplexar cualquier número de flujos conectados.. Figura 21:Bloque Tagged Stream Mux. 30.

(38) El bloque “OFDM Carrier Allocator” es el asignador de portadora. Esto clasifica los escalares complejos entrantes en las portadoras OFDM, y también coloca los símbolos piloto en las posiciones correctas. También existe la opción de pasar los símbolos OFDM que se colocan delante de cada cuadro (es decir, los símbolos del preámbulo). Estos pueden ser utilizados para la detección, sincronización y estimación de canal. Se muestra en la figura 22.. Figura 22:Bloque OFDM Carrier Allocator. El bloque “FFT” de la figura 23 es el asignador de portadora, genera símbolos OFDM (es decir, vectores complejos de longitud FFT). Estas deben convertirse en señales de dominio de tiempo antes de continuar, por lo que se canalizan a un bloque (I) FFT.. Figura 23:Bloque FFT. 31.

(39) El bloque “OFDM Cyclic Prefixer” de la figura 24 es el prefijo cíclico que se agrega a los símbolos OFDM, también, puede realizar el modelado de pulsos en los símbolos OFDM.. Figura 24:Bloque OFDM Cyclic Prefixer. En el bloque de la figura 25 lo que se hace es multiplicar todos los flujos de señales de entrada por una constante para este caso serian 0,05. Figura 25:Bloque Multiply Const. El bloque de Control de propagación de etiquetas de la figura 26. Se usa para evitar que las etiquetas se propaguen.. Figura 26:Bloque Tag Gate. 32.

(40) El bloque “UHD: USRP Sink” es utilizado para transmitir muestras a un dispositivo USRP (es decir, actuar como el transmisor). Algunos de sus parametros se muestran en la figura 27 y son: Devices Address -la dirección del dispositivo es una cadena delimitada que se usa para ubicar dispositivos UHD en su sistema. Si se deja en blanco, se utilizará el primer dispositivo UHD encontrado. Utilice la dirección del dispositivo para especificar un dispositivo o una lista de dispositivos. Sample Rate -la cantidad de muestras por segundo, que es igual al ancho de banda en Hz que deseamos observar. El controlador de dispositivo UHD hará todo lo posible para igualar la frecuencia de muestreo solicitada. Si la tasa solicitada no es posible, el bloque UHD imprimirá un error en tiempo de ejecución. Chx Center Frequency -la frecuencia central es la frecuencia general de la cadena de RF.. Figura 27:Bloque Usrp Source. 6.2.2 Bloques Del Demodulador o Receptor En esta sección se entrará en detalle en los bloques del flujograma usados para la implementación del demodulador para un sistema convencional de recepción con modulación jerárquica OFDM. En la figura 28 se muestra el diseño realizado para un demodulador OFDM con sus respectivos parámetros y configuraciones. 33.

(41) Figura 28:Implementación del diagrama de bloques de GNU Radio para el Receptor OFDM.. El bloque “UHD: USRP Source” es utilizado para recibir las muestras que envía el dispositivo USRP (es decir, actuar como el receptor). Algunos de sus parámetros se muestran en la figura 29 y son: Devices Address -la dirección del dispositivo es una cadena delimitada que se usa para ubicar dispositivos UHD en su sistema. Si se deja en blanco, se utilizará el primer dispositivo UHD encontrado. Utilice la dirección del dispositivo para especificar un dispositivo o una lista de dispositivos. Sample Rate -la cantidad de muestras por segundo, que es igual al ancho de banda en Hz que deseamos observar. El controlador de dispositivo UHD hará todo lo posible para igualar la frecuencia de muestreo solicitada. Si la tasa solicitada no es posible, el bloque UHD imprimirá un error en tiempo de ejecución. Chx Center Frequency -la frecuencia central es la frecuencia general de la cadena de RF.. 34.

(42) Figura 29:Bloque UHD USRP Source. En la figura 30 encontramos el bloque Schmidl & Cox OFDM synchronisation, el cual, depende en su entrada de muestras complejas y la salida es dada por el desplazamiento de frecuencias finas, escalado por la duración del símbolo OFDM. Figura 30:Bloque Schmidl & Cox OFDM Synch.. 35.

(43) En la figura 31 se encuentra el Bloque Delay el cual tiene como función retrasar la entrada de un cierto número de muestras. Los retardos positivos insertan cero ítems al inicio del flujo. Los retardos negativos descartan los elementos del flujo. Sin embargo, no se puede inicializar este bloque con un retraso negativo. Esto lleva a un problema de causalidad con los búferes cuando se inicializan. Si necesita retrasar negativamente una ruta, entonces ponga el retraso positivo en la otra ruta.. Figura 31:Bloque Delay. En la figura 32 se observa el bloque Multiply, el cual se encarga de multiplicar todos los flujos de entrada del diagrama.. Figura 32:Bloque Multiply.. En la figura 33 se observa el bloque Frecuency Mod el cual es un Bloque modulador de frecuencia. El cual consta de una entrada flotante y una salida de banda base compleja. Figura 33:Bloque Frecuency Mod. 36.