Diseño de un gateway definido por Software para aplicaciones en redes inalámbricas de corto alcance

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(1)Diseño de un Gateway Definido por Software para Aplicaciones en Redes Inalámbricas de Corto Alcance. Cristian David Rodrı́guez Rodrı́guez. Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad de Ingenerı́a, Ingenierı́a Electrónica Bogotá, Colombia 2017.

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(3) Diseño De Un Gateway Definido Por Software Para Aplicaciones En Redes Inalámbricas De Corto Alcance. Cristian David Rodrı́guez Rodrı́guez. Tesis presentada como requisito para optar al tı́tulo de: Ingeniero Electrónico. Director: PhD Gustavo Adolfo Puerto Leguizamón. Lı́nea de Investigación: Radio Definida por Software Grupo de Investigación: GRECO. Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad de Ingenierı́a, Ingenierı́a Electrónica Bogotá, Colombia 2017.

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(5) (Dedicatoria). A Dios y mis padres por su infinito apoyo..

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(7) Contenido 1 Introducción 1.1 Contenido del libro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1 1. 2 Objetivos 2.1 Objetivo General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Objetivos especı́ficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4 4 4. 3 Planteamiento del problema 3.1 Definición del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Justificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5 5 6. 4 Alcances y limitaciones 4.1 Alcances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Limitaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7 7 7. 5 Marco de referencia 5.1 Radio definida por software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 Concepto de Radio definida por software . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.2 Ventajas de SDR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.3 Retos de SDR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.4 Antecedentes y surgimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.5 Ámbito de aplicaciones para tecnologı́as SDR . . . . . . . . . . . . . 5.2 Sistemas de inferencia difusa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Concepto de un sistema de inferencia difusa . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2 Ventajas de la lógica difusa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.3 Optimización por medio de computación evolutiva . . . . . . . . . . . 5.3 Herramientas de desarrollo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.1 GNU Radio Companion 3.7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.2 Plataforma hardware para desarrollo de radios definidos por software. 8 8 8 8 9 10 11 12 12 13 14 15 15 16. 6 Estado del arte 6.1 Radio definida por software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.1 Trabajos relacionados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 IEEE 802.11 en GnuRadio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 19 19 19 19.

(8) Contenido. viii 6.3 6.4. IEEE 802.15.4 en GnuRadio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sistemas de inferencia difusa en SDR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7 Análisis de protocolos 7.1 Determinación del estándar inalámbrico de corto alcance 7.1.1 WirlessHART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.2 Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.3 WiFi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 IEEE 802.11a/g/p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.1 Transceptor implementado en GNU Radio . . . . 7.3 IEEE 802.15.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.1 Transceptor implementado en GNU Radio . . . . 7.4 Equivalencias entre IEEE 802.11a/g/p e IEEE 802.15.4 .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. 8 Modificación de umbral de procesamiento a partir de lógica difusa 8.1 Descripción del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.1 Umbral de procesamiento en IEEE 802.11 . . . . . . . . . 8.2 Sistema de inferencia difusa propuesto . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.1 Salida y Entradas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.2 Funciones de pertenencias propuestas . . . . . . . . . . . . 8.2.3 Reglas propuestas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.4 Conformación del sistema de inferencia difuso . . . . . . . 8.2.5 Evaluación del sistema de inferencia difuso . . . . . . . . . 8.3 Algoritmo genético para ajuste de conjuntos de pertenencia . . . . 8.3.1 Modelo propuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.2 Construcción del genoma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.3 Función objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .. 20 21. . . . . . . . . .. 23 24 24 25 26 27 27 30 30 33. . . . . . . . . . . . .. 36 36 36 38 38 44 50 54 57 59 59 60 60. 9 Implementación del gateway 9.1 Integración sistema difuso para modificación del umbral en el receptor de IEEE802.11a/g/p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1.1 Bloque WiFi Sync Short . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1.2 Bloque WiFi Threshold Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2 integración IEEE 802.11 e IEEE 802.15.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.1 Bloque WiFi Message Handler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.2 Bloque Zigbee Message Handler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.3 Bloque WiFi USRP Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.4 Bloque WiFi Tx Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.5 Bloque WiFi Rx Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.6 Modificaciones a los transceptores de IEEE 802.11a/g/p y 802.15.4 .. 62 62 62 66 69 71 74 75 76 79 80.

(9) Contenido. ix. 10 Experimentos y resultados 10.1 Sistema difuso generado por el algoritmo de evolución diferencial . . . . 10.1.1 Construcción de la base de datos de entrenamiento y validación 10.1.2 Determinación de parámetros iniciales del algoritmo . . . . . . . 10.1.3 Análisis de resultados de entrenamiento y validación . . . . . . . 10.1.4 Ajuste de las funciones de pertenencia . . . . . . . . . . . . . . 10.2 Integración del sistema difuso en el receptor de IEEE802.11a/g/p . . . 10.2.1 Bloque WiFi Sync Short . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.2 Implementación en GNURadio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3 Implementación y experimentos para el gateway . . . . . . . . . . . . . 10.3.1 Flujograma del gateway en GNU Radio . . . . . . . . . . . . . . 10.3.2 Nodos de comunicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.3 Validación del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .. 82 82 82 83 83 84 88 88 89 95 95 98 101. 11 Conclusiones y análisis de resultados 11.1 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Aportes originales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3 Trabajos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 105 105 106 108. 12 Anexos 12.1 Anexo 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2 Anexo 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3 Anexo 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 110 110 110 110. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . ..

(10) Lista de Figuras 5-1. 5-2. 5-3. 5-4.. Estructura en bloques de un módulo SDR . . . Estructura de un sistema de inferencia difusa . Representación de los conjuntos difusos . . . . Plataformas de desarrollo USRP N210 y B210.. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. 8 12 14 16. 7-1. 7-2. 7-3. 7-4. 7-5. 7-6. 7-7. 7-8. 7-9. 7-10.. Esquema organizacional de las redes inalámbricas según su cobertura Stack del protocolo WirelessHART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flujograma del transceptor para IEEE 802.11 a/g/p . . . . . . . . . Flujograma del transceptor para IEEE 802.15.4 [31] . . . . . . . . . Flujograma del transceptor para IEEE 802.15.4 modificado [2]. . . . Trama WiFi producida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cabecera PLCP para IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trama MAC para IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Campo control de trama para IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . . . . Campo secuencia de trama para IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. 23 24 28 31 32 34 34 34 34 35. 8-1.. Flujograma para recepción de IEEE 802.11a/g/p para analizar el comportamiento de las cuatro variables: Este flujograma se implementa en la USRP B210. SNR, proviene del bloque WiFi Message Handler, FER, proviene del bloque WiFi Parse MAC, Potencia de la señal, proviene del bloque Moving Average y Threshold, es configurado a partir del bloque Message Strobe. Además, se agrega un conector a Wireshark donde se puede evidenciar el formato de cada trama que arriba. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flujograma para transmisión de IEEE 802.11a/g/p usado en el análisis del comportamiento de las cuatro variables: Este flujograma se implementa en la USRP N210. Por medio de este se generan 10 mensajes por segundo con la palabra “tes”. Se introduce un parámetro para la variación de la potencia de transmisión, a partir de la cual se modifican los parámetros en recepción. Resultados para la proporción de tramas recibidas al variar el parámetro threshold. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Efecto de un SNR arriba de los 25 dB sobre la constelación. . . . . . . . . Efecto de un SNR alrededor de los 16 dB sobre la constelación. . . . . . . Efecto de un SNR por debajo de los 10 dB sobre la constelación. . . . . .. 8-2.. 8-3. 8-4. 8-5. 8-6.. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. 38. 39 40 40 41 41.

(11) Lista de Figuras 8-7. 8-8. 8-9. 8-10. 8-11. 8-12. 8-13. 8-14. 8-15. 8-16. 8-17. 8-18. 8-19. 8-20. 8-21. 8-22. 9-1. 9-2. 9-3. 9-4. 9-5. 9-6. 9-7. 9-8. 9-9.. xi. Resultados para la proporción de tramas recibidas al variar el parámetro SNR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resultados para el Frame Error Rate FER al variar el parámetro threshold. Relación entre la potencia media y la ganancia de recepción normalizada. Funciones de pertenencia estimadas para la variable de salida threshold. . Funciones de pertenencia estimadas para la variable de entrada SNR. . . . Funciones de pertenencia estimadas para la variable de entrada FER. . . . Funciones de pertenencia estimadas para la variable de entrada ganancia de recepción normalizada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funciones de pertenencia estimadas para la variable de entrada potencia media. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funciones de pertenencia estimadas modificadas para la variable de entrada SNR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funciones de pertenencia estimadas modificadas para la variable de entrada potencia media. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modelo de inferencia con fusificador y defusificador. . . . . . . . . . . . . Proceso de fusificación para función de pertenencia de salida con soporte ubicado hacia los valores altos del universo. . . . . . . . . . . . . . . . . . Proceso de fusificación para función de pertenencia de salida con soporte distribuido a lo largo del universo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Proceso de fusificación con niveles bajos de disparo en la mayorı́a de las funciones de pertenencia de salida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Comparación entre las salidas producidas por el sistema difuso y la esperada. Modelo de evolución diferencial propuesto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bloque WiFi Sync Short modificado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bloque WiFi Sync Short modificado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bloque WiFi Threshold Generator: En este bloque se introduce el sistema de inferencia difuso diseñado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagrama general para el gateway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagrama para el gateway con bloques de control . . . . . . . . . . . . . . Bloque Wifi Message Handler: Se encarga de administrar los mensajes generados por la subcapa MAC de IEEE 802.11a/g/p . . . . . . . . . . . . . Bloque Zigbee Message Handler: Se encarga de administrar los mensajes generados por la capa de aplicación de Zigbee . . . . . . . . . . . . . . . . Bloque USRP Control: Se encarga de enviar los comandos de configuración a las interfaces de la USRP N210. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bloque Tx Switch: Se encarga de entregar al transmisor de la USRP N210 la salida correspondiente al estándar con el que está configurado el nodo de destino. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 41 42 44 46 47 48 49 49 50 51 54 56 56 57 58 60 62 63 66 69 71 72 74 75. 77.

(12) xii 9-10.. 9-11. 9-12.. 10-1. 10-2. 10-3. 10-4. 10-5. 10-6. 10-7. 10-8. 10-9. 10-10. 10-11.. 10-12.. 10-13.. 10-14. 10-15. 10-16. 10-17. 10-18. 10-19.. Lista de Figuras Bloque Rx Switch: Se encarga de entregar la salida del receptor de la USRP N210 a la entrada del estándar con el que está configurado el nodo que envió el mensaje. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modificaciones a bloques del transceptor IEEE802.11a/g/p. . . . . . . . . Modificaciones al flujograma de IEEE802.15.4: El bloque Rx Xbee es un bloque jerárquico que contiene la capa fı́sica, de enlace, de red y de aplicación para recepción de IEEE 802.15.4/Zigbee 2006. Equivalentemente Tx Xbee para transmisión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 79 80. 81. Funciones de pertenencia ajustadas para el threshold. . . . . . . . . . . . 84 Funciones de pertenencia ajustadas para el threshold. . . . . . . . . . . . 85 Funciones de pertenencia ajustadas para el SNR. . . . . . . . . . . . . . . 86 Funciones de pertenencia ajustadas para el FER. . . . . . . . . . . . . . . 87 Funciones de pertenencia ajustadas para la potencia media. . . . . . . . . 87 Funciones de pertenencia ajustadas para la ganancia de recepción normalizada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Modificación al flujograma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Salida en la consola de GNURadio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Flujograma diseñado para implementar el cambio del umbral de procesamiento en recepción de IEEE802.11a/g/p. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Modificación del threshold para las pruebas realizadas con la implementación del sistema de inferencia difuso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Modificación del threshold al variar únicamente el SNR: Las demás entradas se establecen en valores iniciales alrededor de 0.75 para la ganancia normalizada y -55dB para la potencia media. . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Modificación del threshold al variar únicamente la potencia media que percibe el transmisor: Las demás entradas se establecen en valores iniciales alrededor de 20dB para el SNR y 0.75 para la ganancia normalizada. . . . 94 Modificación del threshold al variar únicamente la ganancia normalizada: Las demás entradas se establecen en valores iniciales alrededor de 20dB para el SNR y -55dB para la potencia media. . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Flujograma implementado sobre GNU Radio para la construcción del gateway. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Interfaz gráfica diseñada para el gateway. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Configuración hardware de la USRP N210 para implementar los bloques funcionales del gateway. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Flujograma diseñado para el nodo IEEE 802.11a/g/p. . . . . . . . . . . . 99 Interfaz gráfica para el nodo IEEE 802.11a/g/p. . . . . . . . . . . . . . . 100 Configuración hardware de la USRP B210 para implementar el nodo IEEE 802.11a/g/p. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100.

(13) Lista de Figuras 10-20. 10-21. 10-22. 10-23. 10-24. 10-25.. Nodo para IEEE 802.15.4 a partir de un módulo Xbee S2, peratura y LCD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Montaje para comprobar el funcionamiento del gateway. . Trama IEEE 802.11a/g/p del mensaje enviado. . . . . . . Trama IEEE 802.15.4 del mensaje recibido. . . . . . . . . Trama IEEE 802.15.4 del mensaje enviado. . . . . . . . . Trama IEEE 802.11a/g/p del mensaje recibido. . . . . . .. xiii sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. de tem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 101 102 102 103 103 104.

(14) Lista de Tablas 5-1.. 7-1. 7-2.. Caracterı́sticas principales de las plataformas de desarrollo USRP B210 y N210 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18. Principales caracterı́stica de IEEE 802.11a/g/p . . . . . . . . . . . . . . . Equivalencias necesarias para permitir comunicación entre IEEE 802.15.4 e IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35. 8-1. 8-2.. Intervalos para entradas y salida del sistema difuso . . . . . . . . . . . . . Reglas Si-entonces para el sistema de inferencia difuso . . . . . . . . . . .. 44 53. 10-1. 10-2. 10-3. 10-4. 10-5.. Parámetros para inicializar el algoritmo de evolución diferencial Resultados del algoritmo de evolución diferencial . . . . . . . . Variables inicializadas en el inicio de la aplicación . . . . . . . . Operaciones realizadas para generar un valor del threshold . . . Parámetros iniciales en el flujograma del gateway . . . . . . . .. 83 84 91 92 97. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. 26.

(15) 1 Introducción La rápida evolución de los sistemas de comunicación requiere una inserción transparente de las nuevas tecnologı́as garantizando compatibilidad entre los dispositivos actualizados y los dispositivos heredados. Radio definida por software, SDR por sus siglas en inglés, se presenta como una tecnologı́a que permite añadir nuevas funcionalidades sin generar cambios en el hardware incluso durante una actualización tecnológica. El principal campo de aplicación de SDR, y, concepto de su fundamentación misma, se enfoca en el diseño de un dispositivo capaz de comunicarse con cualquier estándar de comunicación [1]. El presente proyecto pretende aportar al camino hacia la construcción de dicho dispositivo por medio del establecimiento de un concentrador capaz de interactuar con dos protocolos de comunicación diferentes, implementados sobre un transceptor inmerso en una tarjeta de desarrollo con capacidades de configuración de parámetros por software. El trabajo propuesto se encuentra en el marco del proyecto de investigación en tecnologı́as SDR impulsado por el grupo GRECO. Por tal razón se considera una continuación del desarrollo previo en el área [2], pretendiendo ası́, la unificación de los aportes alcanzados y los desarrollos propuestos en el documento. De esta manera, se atacarán dos grandes problemas dentro del flujo de tareas. En primer lugar la implementación de un protocolo de redes de corto alcance, siendo este previamente abordado en trabajos de SDR, posibilitando la descripción de particularidades de su comportamiento por medio de bloques funcionales de comunicación. Y posteriormente la unificación de esta contribución con el desarrollo previo por medio de la construcción de un dispositivo de comunicaciones con funcionalidades de concentrador. Ası́ pues, el enfoque del trabajo se limita a la implementación de este dispositivo, requiriéndose el estudio sobre un protocolo adicional al de [2] para su diseño.. 1.1.. Contenido del libro. La propuesta e implementación de un dispositivo con capacidades de concentrador (gateway) definido por software, es presentado a lo largo del libro. El gateway diseñado es capaz de permitir la comunicación entre nodos que soportan el estándar IEEE802.11a/g/p o IEEE802.15.4, como aporte al estado del arte en la convergencia de estándares de comunicación, representando un reto mayormente técnico. Además, se propone un sistema.

(16) 2. 1 Introducción. difuso para modificar automáticamente el umbral de procesamiento en la capa fı́sica de IEEE802.11a/g/p, como aporte al conocimiento técnico implementado en las áreas de radio definida por software e inteligencia computacional, representando un reto mayormente conceptual. De esta manera se presenta un propuesta con carácter interdisciplinar e innovador que aporta al estado del arte implementado. El libro se divide en tres grandes grupos, estos son contextualización, diseño, y, presentación y análisis de resultados. Contextualización: En los siguientes tres capı́tulos se exponen las generalidades del problema abordado y los objetivos trazados para su solución. Posteriormente, debido a la interdisciplinaridad del trabajo, se incluye un breve marco de referencia para facilitar la interpretación de las afirmaciones realizadas en los capı́tulos posteriores, donde se describen los dos grandes campos del conocimiento abordados, radio definida por software e inteligencia computacional. Equivalentemente, se incluye un estado del arte para contextualizar el desarrollo en el campo de radio definida por software, haciendo énfasis en los estándares de comunicación inalámbrica de corto alcance de interés. Diseño: En primer lugar, se realiza un estudio extenso de las implementaciones existentes para protocolos de comunicación inalámbrica de corto alcance, explorando sus limitaciones y oportunidades de desarrollo. A partir de esto, se justifica la selección del estándar IEEE802.11a/g/p para integrarse, a través del gateway, con IEEE802.15.4. Los flujogramas existentes, implementados sobre GNURadio, y su correspondiente configuración, se expone para ambos casos. A continuación, a partir del estudio de las oportunidades de desarrollo para IEEE802.11a/g/p, se propone un sistema de inferencia difuso para modificar el umbral de procesamiento en la capa fı́sica. El desarrollo incluye, un análisis de las variables relacionadas al umbral de procesamiento, la construcción de funciones de pertenencia y reglas si-entonces para modelar la relación no lineal entre las variables estudiadas y el umbral, el desarrollo matemático del sistema de inferencia difuso, y, un algoritmo de evolución diferencial para optimizar las funciones de pertenencia y reglas propuestas inicialmente. Posteriormente, se describe la implementación del gateway sobre GNURadio, donde se expone el bloque funcional para la implementación del sistema difuso, el modelo de operación del gateway y los bloques funcionales que lo componen, las modificaciones realizadas a los flujogramas de cada estándar, y, la construcción de los nodos de comunicación. Presentación y análisis de resultados: Siguiendo el flujo propuesto en el diseño, en primer lugar, se presenta la implementación del algoritmo de evolución diferencial, enfatizando en los experimentos realizados para definir la base de datos (entrenamiento y validación) y sus parámetros iniciales, los resultados de dichos experimentos, y, el ajuste generado en las funciones de pertenencia. Posteriormente, se exponen los experimentos y resultados, para la integración del sistema difuso en el capa fı́sica del receptor de IEEE802.11a/g/p, ası́ como la comprobación del funcionamiento de los transceptores para cada estándar. Finalmente se.

(17) 1.1 Contenido del libro. 3. presentan los resultados de la implementación del gateway a través de experimentos con los nodos de comunicación. De esta manera, es posible introducir conclusiones, análisis de los aportes, una perspectiva de los retos y problemáticos del desarrollo, y, trabajos futuros..

(18) 2 Objetivos 2.1.. Objetivo General. Diseñar e implementar un módulo de comunicación con funcionalidades de concentrador bajo el paradigma de SDR como aporte a la convergencia entre protocolos inalámbricos en redes de corto alcance.. 2.2.. Objetivos especı́ficos. Identificar los estándares en redes inalámbricas de corto alcance abordados por medio de conceptos SDR. Identificar las limitaciones de la plataforma hardware USRP B210 en relación con las necesidades de los estándares identificados. Implementar bloques digitales de comunicación capaces de replicar particularidades del comportamiento de uno de los protocolos reconocidos. Establecer el flujo comportamental del concentrador incorporando bloques funcionales de comunicación. Evaluar la funcionalidad del sistema desarrollado en un entorno de comunicación de corto alcance..

(19) 3 Planteamiento del problema 3.1.. Definición del problema. Las redes de comunicación inalámbricas de corto alcance han evolucionado en torno a necesidades particulares como la tasa de transmisión, el número de canales o nodos, la distancia entre dispositivos, el ruido en el entorno o la autonomı́a energética. De este desarrollo han surgido estándares que requieren la implementación de un hardware especı́fico que carece de flexibilidad y escalabilidad ante variaciones de los requerimientos establecidos [1]. En aplicaciones tales como redes hospitalarias, domésticas, de seguridad, industriales o agrı́colas, entre otras; la interoperabilidad entre protocolos, modificación de topologı́as o variación de nodos constituyen una necesidad en el mediano y largo plazo generando una inversión significativa en tiempo y dinero para rediseñar la red, de manera que se adecue a las nuevas exigencias [3]. La radio definida por software se presenta como una solución que permite la convergencia, adaptabilidad y robustez para redes de comunicación inalámbrica de corto alcance acercando el código lo máximo posible a la antena, convirtiendo ası́ un problema hardware en un problema software. De esta manera modificaciones en la configuración de la red o inclusión de nodos direccionados por diferentes protocolos minimizarán los requerimientos de intervención hardware limitándose a la reconfiguración de bloques funcionales [4]. En este contexto, el proyecto pretende aportar en la construcción de un dispositivo central que sea capaz de comunicarse con sistemas que difieran en sus protocolos, caracterı́sticas o aplicaciones. Se hace necesario establecer la idoneidad y limitaciones de los dispositivos SDR disponibles para abstraer dicho comportamiento, caracterizando las necesidades tecnológicas en la implementación de diferentes protocolos..

(20) 6. 3.2.. 3 Planteamiento del problema. Justificación. Los sistemas basados en SDR son considerados la red de acceso a radio de la siguiente generación, transversal a todo tipo de sistemas de comunicaciones inalámbricas. Su uso no está limitado al extremo final del radio sino a la operación de la red en general. Los avances en SDR han permitido nuevas aplicaciones consideradas irrealizables solo una década atrás [ [5]]. Las redes inalámbricas de corto alcance requieren la interacción de diferentes estándares de comunicación en un mismo entorno. Conceptos SDR están siendo motivo de estudio en el diseño de un sistema que permita la convergencia de dichos estándares. Un único ente capaz de interpretar la información provista por cada dispositivo vinculado a la red sin importar el estándar en el que transmita [4]. En este contexto el desarrollo propuesto se presenta como un aporte a este campo de estudio, en el marco de la lı́nea de investigación en tecnologı́as SDR impulsada por el grupo de investigación GRECO, de la cual se encuentra como principal antecedente y punto de partida a [2]. El uso de tecnologı́as SDR provee a un sistema de comunicaciones inalámbrico ventajas como la flexibilidad del diseño, confiablidad, estabilidad de parámetros, capacidad de actualización, reusabilidad, capacidad de reconfiguración, mejoras en la funcionalidad y reducción en costos, causadas por la digitalización de los elementos de radio. Resumiéndose esto en robustez para el sistema ante variaciones en el entorno o en sı́ mismo. SDR representa un sinfı́n de retos causando una lenta evolución en comparación a como habı́a sido previsto [6]. Trabajos que aporten al estado del arte permitirán la aceleración del desarrollo del área, contribuyendo a la convergencia de dicha tecnologı́a. Como resultado de esto, se verán disminuidos los costos de producción relacionados, generando la comercialización social de dicho conocimiento. En [7] se presenta un estudio que expone la urgencia en la inclusión de SDR en la lı́nea de aprendizaje e investigación en ingenierı́as afines a electrónica y sistemas..

(21) 4 Alcances y limitaciones 4.1.. Alcances. En el desarrollo del proyecto presentado se pretende realizar un aporte en la construcción de sistemas transparentes al protocolo de comunicación utilizado, basados en el paradigma de radio definida por software. Se Presenta como una base de conocimiento para futuras investigaciones. El proyecto pretende unificar los avances previos en el marco del proyecto de investigación y los propuestos en el documento por medio de un dispositivo con funcionalidades de concentrador. Dicho dispositivo deberá permitir una comunicación en cualquiera de los dos sentidos entre él y nodos configurados con los dos protocolos de estudio. Para validar las capacidades de reconfiguración, baluarte del paradigma de radio definida por software, se debe proveerá la posibilidad de variar parámetros en tiempo real, caracterı́sticos de los sistemas involucrados. Las funcionalidades que puedan llegar a ser agregadas a los protocolos para poderlos implementar en un mismo flujo de máquina serán tomados como valor agregado al proyecto, teniendo en cuenta que el mismo se limita a la construcción del dispositivo concentrador.. 4.2.. Limitaciones. Desde su fundamentación misma, el trabajo es concebido como un proyecto de investigación, por lo cual el enfoque principal tiene mayor proyección en aportar al estado del arte de dispositivos unificadores en radio definida por software que en desarrollar un módulo de comunicaciones. Por tal razón la implementación del mismo tendrá únicamente como objetivo la comprobación del diseño realizado y de ninguna manera supondrá en sı́ misma un estudio..

(22) 5 Marco de referencia 5.1.. Radio definida por software. 5.1.1.. Concepto de Radio definida por software. El término “software radio” (SR) fue acuñado por primera vez en 1991 por J. Mitola, aludiendo a un radio con capacidades de reconfiguración [1]. El SR ideal propone el control completo por software de un sistema, de tal manera que la única conversión de digital a análogo que se presente sea en la antena, lo cual, debido a limitaciones tecnológicas aún es imposible de implementar.. Figura 5-1: Estructura en bloques de un módulo SDR Radio definida por software (SDR) es la versión pragmática del ideal SR. La definición de mayor aceptación establecida por el grupo IEEE P1900.1 ubica a SDR como un radio en el cual alguna o todas las funciones de la capa fı́sica son definidas por software. La arquitectura canónica de un sistema SDR consiste de tres etapas diferenciables, sección de radio frecuencia (RF), sección de frecuencia intermedia (IF) y sección de banda base. La primera es responsable de la transmisión y recepción de las señales hacia y desde la antena. En el caso de transmisión debe amplificar y modular las señales provenientes de la etapa de IF y en recepción debe transportar la señal a frecuencia intermedia. En la etapa de IF se realiza el procesamiento digital de la señal según se requiera [8]. En la figura 1 se expone un diagrama de bloques para este proceso.. 5.1.2.. Ventajas de SDR. SDR tiene un atractivo especial dentro del mercado comercial de comunicaciones por su capacidad de proveer gran cantidad de variantes en múltiples dominios. Esto es factible,.

(23) 5.1 Radio definida por software. 9. principalmente, debido a la habilidad de adaptación mediante software sobre cualquier plataforma de hardware [9]. Sus principales ventajas suponen:. Portabilidad: Capacidad de trasladar un sistema de una plataforma a otra con variaciones mı́nimas o no existentes en sus componentes, sin que esto signifique reescribir la aplicación entera. Uno de los retos en cuestiones de portabilidad es la compatibilidad entre lenguajes de programación o descripción de circuitos. Reconfigurabilidad: Esta caracterı́stica se relaciona con la portabilidad, pero en un sentido estricto hace referencia a la capacidad para modificar la configuración del sistema dinámicamente, es decir, variar parámetros directores del comportamiento del sistema en tiempo real sin que el usuario final pueda percatarse de esto. Seamless Mobility: Anglicismo que denota integración total o perfecta. El equivalente de esta caracterı́stica en ingenierı́a de radio tradicional es el enfoque de múltiples transceptores analógicos, en el cual, varios transmisores y receptores comparten parte de la circuiterı́a. Concepto inmerso en la arquitectura de SDR como se mostró en la figura 1. Interoperabilidad: La interoperabilidad siempre ha sido un reto en la ingenierı́a de comunicaciones. Se refiere a una plataforma que es capaz de soportar las diferentes arquitecturas y estándares de radio, permitiendo una comunicación autónoma entre ellos. Escalabilidad: Se refiere a la capacidad de actualización. Debido al reemplazo de dispositivos hardware por software, ante variaciones en las necesidades del sistema o actualizaciones tecnológicas se encuentran reducciones significativas en tiempos y costos de implementación. De esta manera donde antes era necesario reemplazar un componente ahora con SDR solo se requiere actualizar el bloque funcional por software. Reusabilidad: Los bloques funcionales de comunicación construidos en el diseño de una determinada arquitectura pueden ser fácilmente reutilizados con el fin de desarrollar nuevos dispositivos. Ventaja intrı́nseca en implementaciones software.. 5.1.3.. Retos de SDR. Por otro lado, hay numerosos retos que necesitan ser abordados en el proceso de aportar a la viabilidad integral de proyectos sobre SDR. Dentro de los principales, que son propiamente objeto de estudio en la actualidad, se destacan: Diseño de plataformas SDR: La curva de aprendizaje de las interfaces de desarrollo y el mecanismo propio de diseño en SDR es considerablemente lenta. Esta inmersión.

(24) 10. 5 Marco de referencia en temáticas SDR puede tomar un tiempo de magnitud desmedida en comparación a lo requerido para un diseño sobre hardware. A esto se agrega, la poca documentación que se encuentra disponible para software de desarrollo como el caso de GNU RADIO u OSSIE, y, lo tedioso de su interfaces. En este sentido, diseñar es el reto que mayor limitación ha opuesto al desarrollo de la radio definida por software. Los proyectos de investigación que han abierto la brecha en SDR se han enfocado principalmente en migrar tecnologı́as de radio convencional a bloques funcionales implementados por software, lo cual es también el enfoque del proyecto presentado en este documento. Capacidad computacional: Se debe buscar procesar una aplicación de múltiples bloques de comunicación con un uso razonable de recursos computacionales. La mala administración de dichos recursos afecta directamente el paralelismo, en términos de la cantidad de aplicaciones que es posible implementar sobre una misma plataforma, a la autonomı́a energética, provocando incluso incomodidades de sobrecalentamiento en el usuario final, y, al presupuesto de adquisición para módulos de desarrollo SDR.. 5.1.4.. Antecedentes y surgimiento. SDR aparece como solución tecnológica a necesidades militares estadounidenses. En 1991 se presenta DARPA’s SPEAKeasy [10]. Consistı́a en un radio que implementaba los componentes de su capa fı́sica en software con el objetivo de soportar diez diferentes protocolos de comunicación militares. En su momento fue considerado como una aproximación al computador del mundo de la radio pero no serı́a conocido como radio por software hasta 1992 cuando Joseph Mitola publica en IEEE National Telesystems Conference un artı́culo titulado “Software Radio: Survey, Critical Analysis and Future Directions”. Más tarde en 1996 se crea la primera asociación de industrias dedicadas al desarrollo de SDR nombrada “The Modular Multifunction Information Transfer System (MMITS) Forum.”, quien se convertirı́a en SDR Forum en 1998 y posteriormente the Wireless Innovation Forum en 2010. En 1997 se da inicio al programa Joint Tactical Radio System (JTRS) creado por el departamento de defensa de Estados Unidos con el objetivo de incrementar la interoperabilidad y portabilidad en sistemas de radiocomunicaciones a través de la definición y estandarización de la abstracción de capas e interfaces por software, conocida como la Software Communication Architecture (SCA). Fue cancelado en 2001 debido a las dificultades generadas en el progreso. Sin embargo impulsó considerablemente el desarrollo en el área por más de una década siendo el punto de partida del programa European Secure Software Defined Radio (ESSOR) de la unión europea. En el cambio de siglo surgen avances como la creación de la primera interfaz para generar archivos de configuración para DSPs de Texas Instruments y FPGAs de Xilinx, y, el nacimiento de GNU-RADIO, software libre para desarrollo de sistemas SDR. Pero serı́a posible.

(25) 5.1 Radio definida por software. 11. solo hasta 2004 promover comercialmente a SDR. En 2006 TI y Xilinx unen fuerzas para crear la primera plataforma unificada para el desarrollo de SDR que serı́a la base para la construcción del Universal Software Radio Peripheral (USRP) por parte de GNU RADIO [11]. Llegados a este punto se han reunido las necesidades básicas (Ente regulador y unificador, e, interfaz y plataforma de desarrollo integradas) para impulsar un desarrollo adecuado de sistemas SDR.. 5.1.5.. Ámbito de aplicaciones para tecnologı́as SDR. La manipulación de dispositivos SDR desde un ordenador permite explorar un sinfı́n de soluciones a todo tipo de planteamientos. Las clásicas aplicaciones de SDR giran en torno al concepto de plataforma unificadora y resolución de problemas de redes en tiempo real. Sin embargo, SDR está siendo abordado desde múltiples campos de acción. A continuación se nombran algunas de las aplicaciones más relevantes y significativas en la última década. Debido a la creciente demanda del espectro electromagnético se ha hecho necesario investigar en tecnologı́as que permitan evitar una subutilización y por ende saturación del recurso natural. Radio cognitiva es el paradigma directamente involucrado en los desarrollos en torno al acceso dinámico al espectro. Por medio de estas redes se pretende sensar el medio para transmitir información por bandas que no están siendo utilizadas [12]. La Reconfigurabilidad es uno de los principales aspectos de SDR que están acelerando su inclusión en los ambientes de vida asistidos. En este contexto se pretende por medio de una arquitectura definida por software tener control de las dos tecnologı́as de comunicación predominantes, ZigBee y Z-Wave de tal manera que se facilite la comunicación con los múltiples nodos de sensado disponibles. Además de facilitar el proceso de mantenimiento y actualización [13]. La reciente necesidad de interconectar todos los dispositivos posibles a una misma red se ha plasmado en el concepto “internet of things” (IoT), que hace referencia a la conexión de objetos fı́sicos compuestos por hardware digital, software o sensores a internet. Su desarrollo pragmático se ha ligado ı́ntimamente a plataformas SDR por la necesidad de soportar diferentes protocolos de comunicación estandarizados y no estandarizados, permitiendo remover los recolectores de datos de cada nodo, realizar unaadministración remota y automatizar el flujo de información entre dispositivos. Estas arquitecturas son denominadas IoT SDR. La importancia de SDR recae en proveer un escenario multi estándar añadiendo ventajas como el hecho de ser compatible con el concepto “Over the air programming”, el cual supone que.

(26) 12. 5 Marco de referencia. cualquier actualización puede ser lograda enviándola inalámbricamente al dispositivo. De esta manera una implementación ideal de IoT no es viable sin la presencia de SDR [14]. No se debe perder de vista que la radio definida por software es un concepto de gran atractivo para la comunidad académica (docencia en investigación) debido a la diversidad de aplicaciones que se pueden desarrollar en diferentes campos. Es también una tecnologı́a que involucra conceptos en el área de telecomunicaciones, comunicaciones digitales, programación, procesamiento digital de señales, telemática y uso de herramientas libres como las basadas en Linux. Por tal motivo, trabajar con estos sistemas brinda la posibilidad de reforzar muchas de las temáticas que se dictan en las aulas universitarias. Su utilización dentro de la academia, es sin duda, una oportunidad para estudiantes y profesores de llevar a la práctica los conceptos teóricos vistos en clase. Adicionalmente, es posible encontrar a SDR inmerso en proyectos tales como comunicación entre vehı́culos [15], recepción de señales GPS [16], mediciones para el movimiento de satélites [17] o comunicación inalámbrica 5G [18].. 5.2.. Sistemas de inferencia difusa. 5.2.1.. Concepto de un sistema de inferencia difusa. Un sistema de inferencia difusa (FIS, por sus siglas en inglés), o sistema experto, es un método aplicado para la interpretación de valoraciones subjetivas a partir de declaraciones Si-Entonces, abstraı́das del conocimiento de uno o varios sujetos que tienen una amplia experiencia en un tema determinado y por tanto son considerados expertos. Esto tambien es posible realizarlo a partir de reglas encontradas por diferentes métodos de reconocimiento de patrones como la computación evolutiva [19]. Un sistema difuso está compuesto por: un fusificador para los datos de entrada, una base de reglas, un motor de inferencia difusa, y un defusificador para los datos de salida. La estructura de este tipo de sistemas difusos se encuentra en la figura 5.. Figura 5-2: Estructura de un sistema de inferencia difusa La información proveniente de las bases de datos para ingresar al sistema difuso es pun-.

(27) 5.2 Sistemas de inferencia difusa. 13. tual. Por lo tanto, se requiere el fusificador para convertirlas en funciones de pertenencia que puedan interactuar con las funciones de pertenencia de las reglas difusas. Ayudando a simplificar la computación en el motor de inferencia. El fusificador tiene como objetivo colaborar a la reducción de ruido teniendo presente una incertidumbre en la toma de datos. Las reglas difusas toman el papel del conocimiento lingüı́stico de los expertos transformado en funciones de pertenencia. Estas reglas relacionan las variables de entradas por medio de las declaraciones (Si-Entonces) ya predeterminadas, y el encargado de relacionar y combinar las reglas de la manera adecuada serı́a el motor de inferencia difusa. Este motor de inferencia obtiene un mapeo sobre la interacción de los conjuntos difusos de entrada y salida. Por último, se obtiene un sistema difuso de salida que debe ser interpretado como una salida puntual. Para esto se introduce el concepto de defisuficación que lleva a cabo el proceso inverso al fusificador y de una salida difusa obtiene un dato puntual [20].. 5.2.2.. Ventajas de la lógica difusa. Como se ha mencionado anteriormente, es recomendable usar los sistemas difusos en aquellos problemas muy complejos donde no existe un modelo matemático simple asociado o, en procesos que obedecen a un comportamiento no lineal. En la figura 5-3 se expone la diferencia entre un sistema difuso y un sistema clásico. Ese grado de pertenencia que se le puede atribuir a un elemento, es el constituyente primario de dicha lógica. La solución difusa require que el conocimiento experto sea expresado lingüı́sticamente, requisito que es normalmente fácil de obtener. Además, la solución difusa plantea grandes ventajas. A continuación se enumeran algunas de las más relevantes. Conjuntos difusos: En la caracterización de sistemas, muchas veces se requiere que para una misma entrada haya diferentes salidas, dependiendo de condiciones particulares. Los conjuntos difusos permiten asignarle a los elementos un grado de membresı́a, de tal manera que un elemento puede pertenecer parcialmente a uno o más conjuntos. El razonamiento aproximado: Cualquier sistema lógico puede ser representado por medio de un sistema difuso. Mediante lógica difusa se puede formular el conocimiento humano de una forma sistemática, y puede ser fácilmente incluido en sistemas de ingenierı́a. De esta manera, no es necesario desgastar en abstraer un modelo matemático preciso, sino es suficiente, con tener el conocimiento de la dinámica del fenómeno y representarlo por medio de reglas si-entonces. Modelo del fenómeno: El conocimiento se interpreta como una colección de restricciones difusas sobre una colección de variables. Los sistemas difusos son especialmente interesantes para la definición de sistemas cuyo modelo exacto es difı́cil de obtener (es necesario introducir una aproximación)..

(28) 14. 5 Marco de referencia Decisiones a partir de información incierta: Se utiliza ampliamente en sistemas de ayuda a la decisión. La lógica difusa permite obtener decisiones con valores incompletos o información incierta. Ası́, especialmente en sistemas que se construyen a partir de la tabulación de parámetros de entrada y salida que tienen un error inherente, es posible generar un sistema que tenga presente ese error en sus decisiones.. Figura 5-3: Representación de los conjuntos difusos. 5.2.3.. Optimización por medio de computación evolutiva. La computación evolutiva es una rama de la inteligencia artificial que involucra problemas de optimización combinatoria. Se inspira en los mecanismos de la evolución biológica. La inteligencia computacional ha tomado a la evolución natural como inspiración para la creación de nuevos algoritmos que impliquen métodos innovadores para problemas complejos donde se busque una optimización poblacional [21]. Estos algoritmos simulan la respuesta de individuos de una población a un ambiente donde el comportamiento más apropiado para el ambiente será el seleccionado para las siguientes generaciones. Este comportamiento no es pasado a generaciones intacto sino que también entra en juego una mutación aleatoria, similar a la reproducción en la naturaleza. La evolución optimiza los comportamientos de la población, donde la población se representa como las posibles soluciones que puede tener el problema [22]. La computación evolutiva, a través de sus diferentes exponentes, procura seguir un conjunto general de premisas. A continuación se nombran las principales. Inicialización de la población: La población debe incializarse para comenzar el proceso de evolución. Esta población puede ser inicializada aleatoria o determinı́sticamente. En caso de ser deterministica puede ser a través de un algoritmo especializado, heurı́stica o metaheurı́stica. Evaluación de los individuos: Se debe analizar el desempeño de cada solución al problema (Individuo de la población) por medio de funciones objetivo. Esta función se denomina función fitness y se construye a partir de diferentes estadı́sticos..

(29) 5.3 Herramientas de desarrollo. 15. Recombinación: Dos soluciones escogidas al azar se recombinan para crear una nueva generación de soluciones que será evaluada en la siguiente iteración. Hay múltiples maneras de realizar esta combinación. La efectividad de una u otra depende de las caracterı́sticas del problema y del genoma construido. Mutaciones: Esta nueva generación puede tener mutaciones, manteniendo una diversidad en la población para favorecer el proceso de busqueda, a través de una mayor exploración poblacional. Las mutaciones consisten en cambiar pequeñas partes del genoma de algunos individuos. La mutación en la población es determinada por una probabilidad asignada al inicio del proceso. Selección de la siguiente generación: Al final de cada generación se deben seleccionar, los individuos que conformarán la siguiente población. Para esto, existen dos principales variantes: la ruleta y el elitismo. En la ruleta, a partir de los resultados de cada individuo en la función fitness, se le asigna una probabilidad de aparecer en la siguiente generación. De esta manera, el mejor individuo tendrá una probabilidad mayor que el peor, pero aún ası́, el peor podrá aparecer en la siguiente generación. Por otro lado, el elitismo, hace que solo los mejores individuos puedan pasar a la siguiente generación. A partir de los individuos seleccionados, con cualquiera de las dos variantes, se genera una nueva población por medio de cruce.. 5.3.. Herramientas de desarrollo. 5.3.1.. GNU Radio Companion 3.7. GNU Radio Companion (GRC), mejor conocido como GNU Radio, es una interfaz de desarrollo de software libre y código abierto (GNU General Public License - GPL) que proporciona bloques de procesamiento de señal para implementar radios definidos por software. Es ampliamente utilizado por la academia e industria para apoyar la investigación en el campo de las comunicaciones inalámbricas [23]. Los diseños se realizan a partir de la construcción de flujogramas compuestos por bloques funcionales que se encuentran programados en python 2.7 o C++, y, descritos en lenguaje xml. En muchos casos puede ocurrir que un mismo bloque integre los dos lenguajes, siendo esto es posible gracias a la librerı́a Swig. El ejecutable es un archivo de python, que genera la herramienta a partir del flujograma, donde se define la dinámica para lanzar las funciones de cada uno de los bloques y sus interacciones. GNU Radio representa una revolución en el procesamiento digital, no solo por la convergencia de los dos lenguajes de programación más populares, sino por el tratamiento que recibe la señal dentro del flujograma. Sus mayores beneficios son el paralelismo, dado que cada bloque representa un hilo de procesamiento, los buffers circulares, puesto que facilita el proceso de lectura y escritura, la implementanción de los tipos de dato polimórficos, que.

(30) 16. 5 Marco de referencia. se presentan como un tipo de contenedor donde pueden viajar diferentes tipos de datos y etiquetas, y, el flujo de datos entre los bloques, que no se efectua con muestras individuales sino con grupos de estas [24]. Sin embargo, dado que es una plataforma libre y abierta, y, que su desarrollo proviene de los aportes de la comunidad, su soporte y documentación se encuentran ampliamente limitados, por lo que, para usuarios iniciales, la curva de aprendizaje se torna excesivamente lenta, suponiendo una inversión de tiempo muy distante a la implementada para introducirse en herramientas de desarrollo similares. Expuesto lo anterior, GNU Radio es la plataforma escogida para desarrollar el gateway puesto que los transceptores que se usan como base, se encuentran diseñados allı́, por otro lado, si esta pre-condición no se presentase, de igual manera serı́a la mejor opción para realizar la implementación. Sin embargo, el estudio e inmersión en GNU Radio debe ser una tarea a la que se le reconozca la importancia adecuada, de tal manera que los tiempos de aprendizaje no interfieran con los de desarrollo. Posterior a esa inmersión, para el diseño de bloques funcionales, se presentan tutoriales interesantes, aunque meramente introductorios, para python [25] y C++ [26]. El procedimiento sugerido para la instalación, es depurar un Script en el que se ejecutan las instrucciones para instalar todos los requerimientos necesarios para lanzar la interfaz de GNU Radio e implementaciones sobre plataformas hardware. Instrucciones detalladas están disponibles en [27].. 5.3.2.. Plataforma hardware para desarrollo de radios definidos por software. Las implementaciones en radio definida por software requieren de hardware especializado. En el desarrollo descrito en el documento se utilizan dispositivos de Ettus Research, división de National Instruments, comercialmente distribuidos como USRP (Universal Software Radio Peripheral). El gateway es construido sobre la versión N210 y, uno de los nodos, sobre B210, Figura 5-4.. Figura 5-4: Plataformas de desarrollo USRP N210 y B210..

(31) 5.3 Herramientas de desarrollo. 17. El funcionamiento general de la USRP, mantiene el modelo descrito en el diagrama de la primera sección del capı́tulo, figura 5-1. A continuación se describen particularidades, a partir del diagrama, de los módulos de desarrollo, en cada una de las etapas. Una revisión de las principales caracterı́sticas de los dos dispositivos es expuesta en la tabla 5-1. La sección de radio frecuencia, está conformada por la antena y el módulo RF Front-end. Las antenas deben ser adquiridas por separado, al igual que los conectores SMA. En el caso de la USRP B210 se encuentran 4 puertos disponibles y en la N210, 2. El módulo RF Frontend denaminado Daugther Board, está compuesto por un filtro para reducir el ruido y una etapa de amplificación de la potencia de la señal. Se encarga de transportar la señal, de su frecuencia original a una frecuencia intermedia, asociada al ancho de banda de la USRP. En el caso de la USRP B210, se encuentran 2 RF Front-end incluidos en el dispositivo, mientras que en la USRP N210, el módulo es un accesorio y debe ser adquirido por separado, lo cual representa un incremento en costo pero la ventaja de adaptarse a las necesidades de desarrollo, además, en la construcción del módulo sobre la misma placa del resto de la tarjeta de la USRP B210, se tiene como consecuencia la inserción de niveles de ruido e interferencia no deseados. La sección de IF o frecuencia intermedia, está compuesta por dos grupos de bloques, uno para recepción (ADC y DDC ) y otro para transmisión (DAC y DUC ).En recepción el módulo ADC se encarga de digitalizar la señal análoga, a partir de la cantidad de bits y la tasa máxima de muestreo del dispositivo. Nótese que para la USRP B210, la tasa de muestreo disminuye si se utilizan los dos RF Front-end. La señal digitalizada pasa por los bloques DDC (Conversión Digital hacia abajo), donde la señal es transportada a banda base, para permitir su procesamiento. El proceso inverso es ejecutado para transmisión. Finalmente, se ejecuta la etapa de procesamiento en banda base. Este proceso se puede realizar en una FPGA, en un DSP o en un equipo de cómputo, según la configuración y limitaciones del dispositivo. En el caso de las implementaciones propuestas en el libro, el procesamiento se lleva a cabo en un equipo de computo, a partir de la capacidad de la USRP para generar comunicación desde y hacia la tarjeta, por medio de un firmware, denominado UHD, encargado de establecer la configuración de la FPGA para direccionar el flujo de datos entre los módulos ADC, DDC, DAC y DUC, hacia la interfaz disponible, en este caso USB3.0 o Gigabit Ethernet. De esta manera, el procesamiento se ejecuta en el equipo de computo y la FPGA solo se encarga de conectar caminos. Es importante mencionar que si el procesamiento se ejecutara en la FPGA, se aumentan los recursos para procesamiento, dado que es posible alcanzar mayores frecuencias de muestreo y ejecutar tareas en paralelo. Esta opción requiere conocimientos avanzados en lenguajes como VHDL, además, se debe modificar el firmware base de la FPGA. Por esta razón la mayorı́a de implementaciones sobre USRP se realizan con procesamiento desde equipos de cómputo..

(32) 18. 5 Marco de referencia. Tabla 5-1: Caracterı́sticas principales de las plataformas de desarrollo USRP B210 y N210 Plataforma de desarrollo Caracterı́stica USRP B210 [28] USRP N210 [29] Ancho de banda [MHz] 56 (1x1) o 30.72 (2x2) 50 Frecuencia de operación [MHz] 70 - 6000 0-6000 Interfaz USB 3.0 Gbit Ethernet MIMO (Half o Full Duplex) 2 Rx - 2 Tx 1 Rx - 1 Tx FPGA Spartan 6 XC6SLX150 Spartan 3A-DSP 3400 Power Supply USB/External External Máx. f. de muestreo en ADC [MS/s] 61.44 100 Resolución del ADC [bits] 12 14 Máx. f. de muestreo en DAC [MS/s] 61.44 400 Resolución del DAC [bits] 12 16.

(33) 6 Estado del arte 6.1.. Radio definida por software. 6.1.1.. Trabajos relacionados. La definición por software de protocolos de comunicación en redes inalámbricas de corto alcance es prioridad actualmente en el campo de estudio de SDR en el marco de la construcción de sistemas transparentes. La interfaz de desarrollo dominante es sin duda alguna GNU RADIO y aunque existen implementaciones independientes, la plataforma de desarrollo que se posiciona como predilecta es la USRP, especialmente en trabajos de investigación. A continuación se exponen brevemente los avances más significativos, afines al proyecto propuesto en el presente documento. Dominic Spill y Michael Ossmann implementan parte de la capa fı́sica de bluetooth sobre GNU RADIO v.3.7. Este proyecto se limita a ser un experimento para fines demostrativos dentro de la academia pero nunca llega a ser funcional. A partir de estos trabajos, ha aparecido el desarrollo de múltiples trabajos de grado de posgrado y maestrı́a en diferentes lugares del mundo. En el Instituto de tecnologı́as de comunicación de Ulm en Alemania [30], se utiliza el software OpenBTS para disponer de una BTS (Base Transceiver Station) de telefonı́a celular operando en la tarjeta de desarrollo USRP1 y USRP2 en las bandas GSM de 800/900 MHz y 1800/1900 MHz. Con el objeto de utilizar una sola antena y de disponer de una conexión con un analizador de espectro externo que permita monitorear la frecuencia de la señal de salida del dispositivo USRP, se diseña un circulador en RF que se integra con la tarjeta de desarrollo.. 6.2.. IEEE 802.11 en GnuRadio. En el año 2009, Marwanto [31] dirigió un proyecto que buscaba implementar un sistema OFDM a partir del software GNURadio y la plataforma de desarrollo USRP. El sistema OFDM en [31] estaba constituido por dos USRP. La distancia entre los dos dispositivos en la implementación del sistema era de 66 cm en un ambiente cerrado, trabajando a una frecuencia central de 2.5 GHz y con esquemas de modulación BPSK y QPSK (Quaternary Phase.

(34) 20. 6 Estado del arte. Shift Keying) con 256 y 512 portadoras. El objetivo del sistema fue determinar la relación entre la tasa de paquetes recibidos o PRR (Packet Received Ratio) y la potencia de transmisión. Un año más tarde, Gutiérrez Agullo [32] implementó el stack correspondiente a la subcapa MAC (MediaAccess Control) del estándar IEEE 802.11 en lenguaje python para ser usada bajo la plataforma USRP. Las funciones de la capa de control de acceso al medio fueron implementadas en base a una máquina de estados. Este sistema era capaz de producir los mensajes de transmisión de la subcapa de control de acceso al medio, tales como, RTS (Request to Send), CTS (Clear to Send), ACK (Acknowledgement) y beacons. En cuanto a la parte de recepción, la capa MAC fue desarrollada de igual forma, aunque el enlace inalámbrico no fue puesto a prueba debido a que no se tenı́a desarrollada la capa PHY en la recepción. Actualmente, la universidad de Paderborn, Alemania, y Trento, Italia, han desarrollado conjuntamente el proyecto WiME (experimentación y medición en redes inalámbricas basadas en SDR), dirigido por el profesor Falko Dressler. La principal lı́nea de investigación, a cargo de Bastian Bloessl, gira en torno a la implementación del estándar IEEE 802.11a/g/p en GNU RADIO v.3.7 y USRP. En primera instancia construyeron un receptor por medio de la implementación de la capa fı́sica del estándar. Posteriormente se mejora hacia el diseño de un transceptor y se producen avances en la implementación del stack. En este punto son capaces de enviar y recibir datos a partir de una tarjeta Ettus USRP N210. Con estas bases asentadas les fue posible estudiar factores como el acceso al canal, robustez en la capa fı́sica para proveer seguridad, control de potencia en la antena y aplicar algunos de estos progresos a redes inalámbricas vehiculares [33], [34] y [35].. 6.3.. IEEE 802.15.4 en GnuRadio. Zigbee, otro de los protocolos con mayor campo de aplicación en SDR, fue abordado por primera vez por Thomas Schmid, investigador asociado de la UCLA, quien implementó la capa fı́sica del estándar 802.15.4 en una tarjeta USRP2 sobre GNU RADIO. . El trabajo se realizó de manera que pudiera comunicar una estación central con GNURadio v3.6 con los nodos Telos B mote que utilizan el radio de Texas Instruments CC2420 que implementa capa fı́sica y capa de enlace. Este desarrollo inicial sirvió de referencia a muchos otros trabajos que buscaban mejorar los resultados obtenidos o extender el desarrollo a otros esquemas de comunicaciones. Posteriormente, en la Universidad de Innsbruck, Austria, se han actualizado las librerı́as del esquema 802.15.4 a la versión de GNURadio 3.7 y han mejorado el aspecto gráfico en la programación, de manera que tienen bloques funcionales para las capas fı́sicas O-QPSK PHY y CSS PHY y para la capa de enlace 802.15.4. Cada bloque implementa las funcionalidades de transmisión y recepción. Adicionalmente la información se puede almacenar en formato.

(35) 6.4 Sistemas de inferencia difusa en SDR. 21. PCAP para poder analizarse desde la aplicación Wireshark [36]. El trabajo desarrollado al igual que el de Tomas Schmit, es compatible con los nodos Telos B mote, los cuales fueron programados a partir del sistema operativo Contiki que es compatible con los microcontroladores MSP430 de los dispositivos. Hay que señalar que uno de los autores B. Bloessl, es el encarcado de administrar la librerı́a gr-ieee802.15.4 para GNU Radio, y es un usuario muy activo en los foros de soporte. En el Instituto Politécnico de Virginia, en Estados Unidos [37], se realiza una comparación entre la implementación de la capa fı́sica de 802.15.4 en la FPGA Spartan3-A de la USRPN210 y un receptor multicanal 802.15.4 en una FPGA externa Virtex 5. Para este trabajo, se utilizaron herramientas como GNU Radio, Matlab, y Xilinx ISE, de manera que fue posible comprobar la cantidad de recursos que se utilizaban en la FPGA al programar la tarjeta con Xlinx ISE y con GNURadio, siendo mucho más eficiente la primera de estas. Finalmente, fue abordado Por Miguel Sastoque y Claudia Segura en su trabajo de grado [2]. En su desarrollo, se organizaron en bloques funcionales para GNURadio, a partir del modelo de capas OSI, las capas fı́sica, de enlace y de red de IEEE802.15.4. Además, se adaptó la trama producida por el transceptor para poder establecer comunicación bidireccional con el módulo xbee S2, lo cual supuso un reto técnico más allá de un reto conceptual.. 6.4.. Sistemas de inferencia difusa en SDR. Los sistemas de inferencia difusa han sido de gran utilidad en campos del conocimiento en los que la lógica puntual limita la construcción de modelos matemáticos precisos. Su mayor aplicación se enmarca en soluciones a problemas del campo de la ingenierı́a. Es posible encontrar un sin número de trabajos que aplican dicha lógica como un método alternativo de análisis. A continuación se enuncian algunos referentes a radio definida por software y el protocolo IEEE 802.11 . Nikhil Marriwala propone un ecualizador difuso aplicado en radio definida por software. Por medio de este se presentó una solución al problema de la interferencia inter-simbólica. Se toma ventaja de la reconfiguración que permite SDR para cambiar parámetros en la recepción a partir de reglas difusas. En este problema especificamente, es muy difı́cil establecer equivalencias lineales entre los parámetros de un filtro adaptativo y las condiciones del entorno. Es por esto que un sistema de inferencia difusa fue la mejor opción [38]. Vijaya Kumar, realizó un estudio experimental a partir de algoritmos genéticos en la adaptación de enlaces para aplicaciones de radio cognitiva. Para realizar la adaptación del enlace se sensa el espectro electromagnético creando una base de conocimiento para decidir en que frecuencia y con que potencia se debe operar. Los algoritmos genéticos fueron usados para.

(36) 22. 6 Estado del arte. establecer un sistema difuso que representara estas relaciones no lineales [39]..

(37) 7 Análisis de protocolos En el cronograma de actividades para el presente proyecto, se propone ejecutar una revisión de los principales estándares de comunicación inalámbrica de corto alcance, estudiados previamente a través de conceptos de radio definida por software. En esta sección se exponen los tres protocolos más relevantes en dicho estudio y el análisis ejecutado para el seleccionado, haciendo énfasis en las particularidades del stack y del protocolo, implementaciones existentes, limitaciones y oportunidades de desarrollo. Dichos protocolos están inmersos en los grupos de trabajo IEEE que se organizan de acuerdo a caracterı́sticas de cobertura, ancho de banda y funcionalidades especı́ficas de las redes de comunicaciones, haciendo un recorrido desde las Redes de área personal (WPAN), pasando por las redes locales (WLAN) y las de área ancha (WWAN) hasta las regionales (WRAN), como se muestra en la Figura 7-1. Este estudio solamente incluye los protocolos que abarcan hasta WLAN, enmarcados dentro de las redes inalámbricas de corto alcance.. Figura 7-1: Esquema organizacional de las redes inalámbricas según su cobertura. Adicionalmente, se presentan los bloques funcionales y generalidades en GNURadio, ası́ como la correspondiente configuración a partir de Ubuntu 16.04, en los dos protocolos que serán abordados por el documento. Uno correspondiente al desarrollo previo [2], y, otro correspondiente a la implementación a presentar..

(38) 24. 7 Análisis de protocolos. 7.1.. Determinación del estándar inalámbrico de corto alcance. 7.1.1.. WirlessHART. WirelessHART es un estándar industrial, desarrollado para los requisitos especiales de la comunicación inalámbrica en el nivel de campo de la industria de procesos. Fue concebido a partir de un conjunto de requerimientos fundamentales: debı́a ser simple (fácil de usar y desarrollar), auto-organizado, flexible (soportar diferentes aplicaciones), escalable (Capacidad de uso en plantas grandes y pequeñas), seguro y uno de los puntos más importantes, soporte y compatibilidad en configuración, con el ya existente y predominante en el área, HART [40]. WirelessHART es un protocolo elaborado por el consorcio privado HART, por lo que de su stack solo es posible conocer la configuración de su capa fı́sica y algunas generalidades de capas superiores, sin pagar la licencia. En la figura 7-2 se expone el protocolo a la luz del modelo de capas OSI. Como es posible observar, en su capa fı́sica implementa las especificaciones de IEEE 802.15.4 (Zigbee) pero para la capa de enlace introduce cambios con respecto a esta. Además, no hay especificaciones para las capas de presentación y sesión.. Figura 7-2: Stack del protocolo WirelessHART A partir de la compatibilidad con Zigbee, dado que comparten la capa fı́sica, se puede hablar de un desarrollo en GNURadio. Pero en las demás capas, no se ha introducido aún algún bloque. En general, a la luz de GNURadio, todo lo que se puede considerar como un aporte a WirelessHART es lo que se ha realizado en Zigbee, por lo que habrı́a que introducir de ceros lo correspondiente a las demás capas. La transparencia del protocolo facilitarı́a un poco esta.

(39) 7.1 Determinación del estándar inalámbrico de corto alcance. 25. labor. Las tasas de transmisión no son altas por lo que no abrı́an retos computacionales. La limitante en este caso se encuentra en el acceso a la información del protocolo. Debido a su carácter privativo, hay muy poca investigación en torno a este, por lo que el estado del arte, especı́fico en WirelessHART, serı́a engorroso de establecer. Además, del costo que se deberı́a asumir para acceder a la pila del protocolo (US$100), se debe adquirir un par de dispositivos que se comuniquen a través de WirelessHART (alrededor de US$1200). Por lo anterior, no se considera viable implementar WirelessHART como el segundo protocolo del presente desarrollo, debido a la poca investigación en sus implementaciones para radio definida por software y los altos costos que este representa.. 7.1.2.. Bluetooth. Bluetooth es una tecnologı́a para Redes Inalámbricas de Área Personal (WPAN, por sus siglas en inglés). Empieza a concebirse en Ericsson Mobile Communications AB (Suecia) en 1994 como el efecto colateral de un proyecto sobre enlaces de comunicadores múltiples conectados a la red celular mediante teléfonos. Posteriormente, aparece el grupo de interés en la tecnologı́a Bluetooth SIG (Special Interest Group) en el que actualmente se encuentran más de 200 empresas promotoras de la tecnologı́a. Bluetooth opera bajo la especificación IEEE 802.15.1, donde se definen la capa fı́sica y la capa de enlace. De igual manera cuenta con una pila que cubre las 5 capas restantes y es abierta a la comunidad académica. Dentro de sus principales caracterı́sticas, en comparación a la tecnologı́a Zigbee, se puede resaltar su tasa de transmisión, que es aproximadamente el triple de la de Zigbee, su consumo energético y distancia de operación, que son ampliamente mayores a Zigbee y su operación en la banda de los 2.4GHz. Por lo anterior, a diferencia de WirelessHART, Bluetooth tiene un abanico de aplicaciones diferentes a las de Zigbee. Visto desde este punto representa una opción viable de integración. Ahora bien, en radio definida por software, como se mencionó en el estado del arte, se presentan importantes avances en la implementación de la capa fı́sica. Sin embargo, esta no es del todo funcional y se presenta como un trabajo experimental, pensado para prácticas de laboratorio de formación académica. Además, la plataforma USRP presenta serias limitaciones en la implementación de la capa fı́sica, puesto que Bluetooth utiliza una técnica de modulación basada en Espectro ensanchado con salto de frecuencia (FHHS, por sus siglas en inglés) que consiste en modular la señal que se va a transmitir con una portadora que salta de frecuencia en frecuencia, dentro del ancho de banda asignado, en función del tiempo. Ası́ pues, la configuración para el procesamiento debe ser cargada sobre la FPGA. Por lo que se requerirı́a diseñar la configuración de la FPGA, lo cual significa un reto de diseño elevado, puesto que el conocimiento técnico disponible para estas implementaciones es relativamente poco y reciente..

(40) 26. 7 Análisis de protocolos. A partir de lo expuesto anteriormente, y teniendo en cuenta que el objetivo es encontrar un protocolo que, por lo menos, ya esté diseñado sobre GNURadio, se decide descartar la opción de Bluetooth.. 7.1.3.. WiFi. IEEE 802.11 representa una familia de estándares, diferenciados cada uno, por una letra en minúscula, ası́, se puede encontrar IEEE 802.11a/b/g/n/p, entre otros. A través del documento se ha hablado de IEEE 802.11 como un único protocolo para facilidad de nomenclatura, pero se debe tener en cuenta que representa todo un grupo. IEEE 802.11 se apoya en la especificación de la capa de acceso al medio común a las tecnologı́as LAN, es decir, al control de enlace lógico (LLC), incluyendo además la capa MAC y dos capas fı́sicas, una con la técnica de modulación de salto en frecuencia (Frequency-Hopping Spread-Spectrum FHSS) y otra con la de esparcimiento en secuencia directa (Direct-Sequence Spread-Spectrum DSSS). Esta tecnologı́a ha evolucionado con respecto a la necesidad de aumentar la tasa de transmisión y necesidades a aplicaciones especı́ficas, como el caso de 802.11p. La tabla 7-1 expone los estándares de la familia que se encuentran disponibles para implementar sobre GNURadio.. Estándar 802.11a 802.11g 802.11p. Tabla 7-1: Principales caracterı́stica de IEEE 802.11a/g/p Banda de operación [GHz] Ancho de banda [Mbps] Técnica de difusión 5.150 - 5.825 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 OFDM 2.412 - 2.489 20-54 RF DSSS y OFDM 5.86 - 5.93 10 OFDM. La implementación disponible para GNURadio ejecuta para capa fı́sica un receptor y transmisor OFDM. Funciona variando la frecuencia de muestreo entre 5, 10 o 20 MHz y la frecuencia de operación. De esta manera es posible transmitir o recibir una señal que cumple con alguno de los tres estándares descritos en la tabla 7-1. La implementación es funcional, es decir, es posible comunicarse con dispositivos que cuenten con la tecnologı́a WiFi, incluso aunque los bloques funcionales no replican la pila del protocolo sino únicamente sus dos capas inferiores. Desde este punto de vista, hay un amplio horizonte de mejora en la introducción del stack puesto que en este punto, la implementación no es capaz, por ejemplo, de difundir una SSID, o de asociarse a una, no existe proceso de emparejamiento, por lo que no se intercambian semillas con el dispositivo al que se quiera comunicar. Por supuesto, esto supone varios retos para las implementaciones, puesto que la configuración debe ser tal, que la tarjeta WiFi con la que se está comunicando sea engañada para creer que está en una red AD-HOC con el dispositivo de radio definida por software donde está implementado el flujograma. La comunicación es posible gracias a que el flujograma trabaja.