13 Tecnologías inalámbricas Alfonso Alva David Muñoz Rodríguez Luis Fernando González Pérez Jair Mercury González Ramón Rodríguez Cruz

13.1 Descripción 13.1.1 Definición Debido a que las tecnologías inalámbricas se expanden en un rango muy amplio de aplicaciones esta investigación no aborda todos los posibles usos sino los más representativos, a continuación proponemos una clasificación de tecnologías inalámbricas: 1. Redes inalámbricas ad-hoc y de sensores 2. Redes de comunicación multimedia inalámbrica 3. Redes de comunicación celular En general la primera categoría concierne al diseño e implantación de redes inalámbricas capaces de captar información del entorno para propósitos de monitoreo y control. Estas redes se emplean para un número nutrido de aplicaciones que van desde la investigación ecológica hasta la automatización industrial, monitoreo de vehículos, optimación logística de centros de salud, etc. En muchos casos acciones apropiadas deben de tomarse ante la ocurrencia de determinados eventos. Estas acciones pueden estar dirigidas por redes inalámbricas de nodos con capacidad de actuar. Las principales características de esta categoría de sistemas inalámbricos la constituyen su cobertura modesta de corto alcance, su capacidad media o baja de transmisión de información y su bajo consumo de potencia.

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En la segunda categoría, como lo sugiere el título, colocamos a todas las tecnologías inalámbricas de alta velocidad. Por alta velocidad nos referimos a la capacidad de transmitir contenido multimedia (audio y video) en tiempo real. Ejemplos de esta categoría son las redes inalámbricas que soportan transmisión continua de audio y video, video conferencia, etc. La principal característica en esta categoría es el flujo masivo de información en ambientes interiores y regiones metropolitanas. Esta categoría puede subdividirse a la vez en redes inalámbricas de área personal (wpan), redes inalámbricas de área local (wlan) y redes inalámbricas de área metropolitana (wman). Es notable como esta categoría no depende del área de cobertura sino de la cantidad de información que comunica. La última categoría está relacionada con las comunicaciones celulares convencionales, es decir, comunicaciones de voz y datos dentro de una red metropolitana. La principal característica en esta categoría es el área de cobertura, así como la tasa de transmisión de entre 200 y 380 kbps. Dentro de esta clasificación tenemos a las tecnologías gsm y su evolución hasta umts (3g) por un lado y a cdma y su evolución por el otro. En un futuro cercano se espera que estas dos últimas categorías se mezclen en una sola área de sistemas inalámbricos y comunicaciones móviles conocida como “sistemas de comunicación 4g”

13.1.2 Detonadores Los sensores y actuadores trabajando juntos y formando redes proporcionan inteligencia en la fábrica, en la granja, en la oficina, en la clínica, en el supermercado, etc. Esta inteligencia permite un uso más eficiente de los recursos y evitar accidentes, lo que a su vez reduce considerablemente los costos de la empresa. Se desarrollarán nodos capaces de reunir información del ambiente y de activar mecanismos de una forma automática, de dimensiones pequeñas, con capacidad de procesamiento y baratos; para poder ser vendidos por millones por todo el mundo y ser costeables. Cuando una masa crítica se alcanza, un estándar puede ser desarrollado y un efecto amplificador con una retroalimentación positiva se logra. Las tendencias en redes inalámbricas de sensores seguirán esta regla. Nodos inalámbricos con sensores, actuadores y electrónica de radiofrecuencia son el tipo de dispositivo que puede ser construido como un “Sistema Inteligente en un Chip” (isoc) por sus siglas en inglés. Para permitirles a estos dispositivos un tamaño más pequeño, se conduce investigación en semiconductores basada en silicio. La madurez de esta investigación se espera para el año 2015 en el cual dispositivos confiables y baratos con baja potencia de disipación se podrán construir. El éxito no depende solamente de los avances en las tecnologías de silicio pero en una mezcla de microelectrónica y fotónica con nano-química y biotecnología. El futuro de los isocs permitirá el desarrollo de nuevos circuitos y sistemas con propiedades nuevas extraordinarias relevantes para casi cualquier sector de la economía. Esta integración apoyada en la biotecnología

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proporciona los cimientos para un futuro en el que el sensado , la percepción de las imágenes, el procesamiento de información y las comunicaciones puedan ser integrados. Para poder comunicar estos nuevos dispositivos híbridos se requiere de una plataforma. Se necesitan desarrollar nuevos protocolos y establecerse estándares. La construcción de los circuitos integrados nos impone límites en las bandas de frecuencia a las que pueden operar. La compatibilidad electromagnética de los futuros dispositivos dentro de los nodos determinará las cotas en las frecuencias de operación. Las tecnologías actualmente estandarizadas guiarán la futura investigación. Es por ello que podemos esperar el uso de sistemas móviles, reconfigurables y redes inalámbricas personales basadas en el estándar ieee 802.15 y sus estándares derivados mencionados anteriormente. Siempre que las redes bajo estos estándares puedan coexistir pacíficamente e interactuar entre ellos de manera eficiente, el desarrollo e integración de redes de sensores y actuadores será económicamente posible muy pronto. Algunas redes formadas por dispositivos de sensado interconectados entre sí, son capaces de recuperar y retransmitir contenido multimedia en forma de cadenas de símbolos de audio y video, imágenes estáticas y datos provenientes de las variables sensadas. Cuando estas redes logran la comunicación descrita a través de un medio inalámbrico se les denomina Redes Inalámbricas Multimedia de Sensores (wmsn) por sus siglas en inglés. Aplicaciones existentes que utilizan redes de sensores incluyen rastreo, automatización de enseres domésticos, monitoreo ambiental, vigilancia y reconocimiento del campo de batalla. El avance en el desarrollo de estas aplicaciones se debe en gran medida a la evolución de redes wmsn. Algunas otras aplicaciones serán habilitadas gracias al uso de estas redes próximamente, tal es el caso de los sistemas de vigilancia multimedia, los sistemas de control y disminución de tráfico vehicular, el aprovisionamiento de servicios avanzados de salud y los servicios de localización de personas. Adicionalmente a la integración de redes automáticas que sensan un dispositivo externo y actúan de acuerdo a la información recabada de a cuerdo con una máquina de estados finita, existen esquemas que demandan intercambio de información. Tecnologías pasivas que actúan cuando son interrogadas por un mecanismo inalámbrico pueden ser administradas y respuestas en tiempo real pueden ser activadas. Esta comunicación inalámbrica pasiva es un elemento nuclear de colaboración inter empresarial subyacente en muchos modelos emergentes extendidos en los negocios, la seguridad en el hogar y otros dominios. El ejemplo primordial es el de identificación por radiofrecuencia presente en las cadenas de suministro (tales como Wal-Mart, FedEx o Cisco). El siguiente paso es el de rastreo de patrones en los consumidores de manera que se puedan identificar preferencias hacia ciertos productos por zonas. Esto permitiría un mecanismo eficiente de desplazamiento de mercancía. Esta aplicación impone retos tanto en el desarrollo de etiquetas de rfid poderosas como en procesos de minería de datos.

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Dentro de las áreas militares el número de aplicaciones es enorme. Es precisamente en este nicho en el que nacieron las tecnologías de redes de sensores y redes auto configurables. Debido a que el retorno de inversión no es la prioridad para la investigación de la marina y la armada, se espera que audaces líneas de investigación usando nuevos materiales y diferentes bandas de frecuencia sean adoptadas por este sector de la economía con el propósito de desarrollar aplicaciones de guerra. La tendencia más clara es la de la interconexión e interacción de redes reconfigurables de sensores inteligentes entre sí y con otros dispositivos inalámbricos en otras redes inalámbricas. Esta tendencia obedece a la necesidad de proporcionarle a la gente información en tiempo real independientemente del momento y lugar en el que se encuentren con el fin de incrementar su productividad y capacidades de competitividad. En el presente las tecnologías inalámbricas de alta velocidad están experimentando una enorme cantidad de mejoras gracias a los recientes avances en la teoría de telecomunicaciones y diseño electrónico en la muy alta escala de integración (vlsi) por sus siglas en inglés. Por ejemplo, en el área de uwb se espera que este año los primeros dispositivos electrónicos para consumo con esta tecnología se encuentren disponibles en el mercado. Esto hará posible la transmisión de aplicaciones multimedia en alcances cortos con mucho menos consumo de batería que lo que sus contrapartes convencionales actuales. En el área de Wi-Fi desde el año pasado ha habido muchas actividades alrededor de la estandarización del ieee 802.10. La nueva versión de este estándar, el 802.11n, es una especificación tendiente a incrementar la velocidad de red, confiabilidad y distancia de operación de las redes inalámbricas. El rendimiento en la transmisión de datos sin encabezado se espera que alcance los 600 Mbps o más de 10 veces el rendimiento del estándar 802.11g. La tecnología clave para que el nuevo estándar alcance un rendimiento de 600 Mbps es el uso de sistemas mimo que utiliza múltiples antenas en ambos sentidos. En la fuente de información o transmisor y en el destino o receptor de manera que se minimicen los errores y se optime la velocidad de la transmisión de datos. En cuanto a wimax podemos decir que para un despliegue exitoso de este tipo de redes los vendedores de equipo deben afinar su estrategia para ofrecer productos que permitan utilidades con respecto al costo de la inversión. Para ello deben conocer las necesidades del país en donde se desplegará la tecnología. Esto significa que las soluciones programables de procesamiento digital de señales (dsp) y los dispositivos de radio definidos por programas de software serán las tecnologías a ser usadas para implementar wimax. Las soluciones basadas en software proporcionan la flexibilidad para enfrentar variaciones sin tener que retomar un rediseño completo para cada mercado. En cuanto a tecnología de comunicación con base en células, la prospectiva tecnológica para las 3g se agrupa en dos nuevas generaciones: 3.5g y 4g. Algunos aspectos clave de éstas se muestran a continuación:

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1. 3.5g (3.5th Generation or LTE –Long Term Evolution-): Mejora de umts, mejora a través de otras técnicas auxiliares, tales como: iburst, hyperman, wimax, wibro, gan (Generic Access Network). Esquema usado: mimo + ofdm + sc-fdma (Single Carrier), sdma, Beamforming. 2. 4g: Los estándares serán definidos por varios grupos de investigación de telecomunicaciones (por ejemplo: Airspan, Alvarion, Aperto Networks, Ensemble, Fujitsu, Intel, Nokia, Proxim, entre otros) basados en los requerimientos sociales y tecnológicos. La frecuencia de operación prospectada: 3-5 ghz (Tendencia de Internet inalámbrico). Propuestas de esquema: concepto “a cualquier hora, en cualquier lugar”; mimo, mumimo, ipv6, sdr (Software Defined Radio), algoritmos Alamoutti. Soluciones de prospectiva tecnológica al estado del arte: ruteo móvil cooperativo (cooperative mobile routing), Redes mimo (Net-mimo), Antena Inteligente mimo, control de supervisión celular, v-doip (voice-data over IP); 3d tv, Intelligent-Software-autoconfiguration based applications, Augmented Reality (ar = Enhanced Virtual Reality –evr-). En conclusión, se busca que las tecnologías inalámbricas evolucionen hacia un escenario centrado en el usuario en donde una red de acceso generalizado dará soporte a una conexión completa en cualquier momento y lugar, basada en una infraestructura all-IP común, flexible y transparente que apoyará la escalabilidad y movilidad.

13.1.3 Comportamientos tecnológicos Entre los elementos característicos de la megatendencia más significativos tenemos que los sensores que observan variables físicas y recolectan información del ambiente para después tomar decisiones de manera autónoma permitirán evitar incendios, administrar inventarios, monitorear pacientes y realizar museos interactivos), existe una mayor dinámica en la interacción entre sensores y actuadores, con una lógica de acción más sofisticada, mediante la programación en lenguaje vhdl (lenguaje para sistemas de diseño) se podrá implementar más rápidamente los módulos de hardware, la radiofrecuencia (Rfid) permite identificar y rastrear productos y animales para los procesos de inventario y control, el uso de tecnologías inalámbricas facilita el acceso global a personas e información, por medio de las tecnologías inalámbricas se están diseñando portales en línea de servicios (como finanzas en línea, gobierno en línea), el crecimiento del uso del internet provoca una mayor demanda de entretenimiento (mayor ancho de banda), el aumento de usuarios conectados a internet provoca el desarrollo de más servidores de banda ancha inalámbrica. Finalmente, se están produciendo libros accesibles a través de la red, el Business 2 Business (b2b) facilitará la comunicación y operación organizacional y la agricultura de precisión permitirá el monitoreo mediante información vía satélite de las condiciones de tierra, agua, plagas y meteorológica en productos agrícolas.

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13.2 Temas de investigación Tabla 13.1 Temas de investigación Modelos matemáticos de propagación y optimización del canal inalámbrico de comunicación Diseño de baterías compactas, recargables y de alta duración Compresión de información en hardware Estructuras no resonantes en antenas Codiseño y sistemas embebidos Desarrollo de memorias y unidades de procesamiento cada vez más pequeñas y poderosas Cosechamiento de energía luminosa, térmica o cinética Interacción de protocolos de comunicación Transductores con microsensores Conservación de energía Fuente: Elaboración propia.

13.3 Tecnologías existentes Dentro de las tecnologías existentes con impacto en la megatendencia se encuentran: Tabla 13.2 Tecnologías existentes Redes: inalámbricas con interacción ip-inalámbrico; inalámbricas de área personal (wpan); inalámbricas pasivas; de sensores multimedia inalámbricos (wmsn) y personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en bluetooth y en zigbee Interconexión de redes de área local separadas geográfica Protocolos de aplicaciones inalámbricas (wap) Acceso inalámbrico portátil Microondas terrestres cdma

Satélites de comunicación de órbita alta y sistemas de posicionamiento global (gps) Antenas: de frecuencia ultra-alta (uhf) y wifi Sistemas de administración de bases de datos

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Ondas de radio de bajo poder Semiconductores de silicio umts

Fuente: Elaboración propia.

13.4 Tecnologías emergentes Algunas de las tecnologías emergentes generadas por la Megatendencia son: Tabla 13.3 Tecnologías emergentes Nodos inalámbricos con sensores, actuadores, procesadores y sistemas de radiofrecuencia integrados a un chip (iSoC: Intelligent System on a Chip) Entretenimiento móvil vía banda ancha inalámbrica (evdo) Conectividad bus serial de conexión inalámbrica universal (wusb) Banda ultra-ancha (uwb) Fuente: Elaboración propia.

13.5 Productos y servicios generados 13.5.1 Lista de productos y servicios Dentro de los productos y servicios a partir de la megatendencia en las áreas de redes masivas y redes específicas se encuentran: Tabla 13.4 Redes masivas Redes masivas Dispositivos para transmisión de datos pesados (entretenimiento, música, videos, fotos, juegos, tv, impresiones) Dispositivos portátiles para conexión a internet desde cualquier lugar Receptores de sistemas de posicionamiento global (gps) Servicios de red en lugares remotos

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Redes masivas Televisión digital satelital Interfaces interactivas intuitivas con aplicaciones, servicios y dispositivos personalizados Dispositivos de comunicación automática Servicios de mercadotecnia móvil y espacio de publicidad móvil Sistemas de seguridad para transacciones virtuales Aplicaciones móviles de siguiente generación Dispositivos para permitir conectividad de gran velocidad Rastreo de personas y sus patrones de consumo para el despliegue dinámico de productos Localizadores satelitales para automóviles Dispositivos de conexión a redes tipo Wi-Fi para autos Aplicaciones para unir hot-spots Wi-Fi Soluciones de seguridad inalámbrica Nodos inalámbricos con sensores, actuadores, procesadores y sistemas de radiofrecuencia integrados a un chip (IsoC: intelligent system on a chip) Publicidad móvil Operaciones bancarias desde pda´s o equipos celulares inteligentes Generación y envío de noticias, publicidad y eventos en el teléfono celular Dispositivos inalámbricos para computadoras Fuente: Elaboración propia.

Tabla 13.5 Redes específicas Redes específicas Etiquetas rfid de alta frecuencia para utilizar en bibliotecas y seguimiento de libros y para el control de acceso en edificios Dispositivos de infrarrojo para envío y recepción de paquetes de información en la red Tarjetas con chips rfid integrados se usan como dinero electrónico Integración de teléfonos móviles con teléfonos corporativos Sensores para sistemas autónomos empleados en robots Auriculares inalámbricos para teléfono móvil Boletos de admisión electrónicos Teléfonos celulares con micro-navegadores Llaves inteligentes para abrir y arrancar el auto mientras el conductor se encuentra hasta a un metro de distancia Etiquetas con radio frecuencia (localización de objetos en la obscuridad) Dispositivos implantables para monitoreo de signos vitales Dispositivos de control de aparatos electrodomésticos RFID para señales de tráfico inteligentes en la carretera

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Redes específicas Etiquetas para seguimiento de barricas de cerveza Termógrafos Etiquetas para identificación de animales Fuente: Coordenadas, Órgano Oficial del Consejo Profesional de Ingeniería de Telecomunicaciones, Electrónica y Computación. Año XXII, No. 78, Junio-Julio 2008. http://www.copitec.org.ar/boletines/revista/ COORDENADAS%2078.pdf

13.6 Taxonomía Tabla 13.6 Taxonomía Area de aplicación

Área de aplicación específica

Tecnologías

Productos y servicios

Red inalámbrica con interacción ip-inalámbrico

Servicio de red en lugares remotos

Conectividad bus serial de conexión inalámbrica universal (wusb)

Dispositivos portátiles para conexión a internet desde cualquier lugar

Entretenimiento móvil vía banda ancha inalámbrica (evdo)

Aplicaciones para unir hotspots Wi-Fi

Protocolo de aplicaciones inalámbricas (wap) Banda ultra-ancha (uwb)

Redes masivas

Redes de comunicación celular (enfocado a la distancia)

Dispositivos para transmisión de datos (entretenimiento,música, videos, fotos, juegos, tv, impresiones)

Antena de frecuencia ultra-alta (uhf) Microondas terrestres Satélites de comunicación de órbita alta

Televisión digital satelital

Interconexión de redes de área local separadas geográfica Microondas terrestres

Receptores de sistema de posicionamiento global (gps)

Sistemas de posicionamiento global (gps)

Localizadores satelitales para automóviles

Antenas Wi-Fi

Dispositivos de conexión a redes tipo Wi-Fi para autos

Banda ultra-ancha (uwb)

Soluciones de seguridad inalámbrica

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Area de aplicación

Área de aplicación específica

Tecnologías

Productos y servicios

Redes de comunicación celular (enfocado a la distancia)

Redes de comunicación celular (enfocado a la distancia)

Rastreo de personas y sus patrones de consumo para el despliegue dinámico de productos

Redes de sensores multimedia inalámbricos (wmsn)

Interfaces interactivas intuitivas con aplicaciones, servicios y dispositivos personalizados

Entretenimiento móvil vía banda ancha inalámbrica (evdo) Banda ultra-ancha (uwb)

Dispositivos de comunicación automática Publicidad móvil Dispositivos para permitir conectividad de gran velocidad

umts cdma

Entretenimiento móvil vía banda ancha inalámbrica (evdo) Redes masivas Redes de comunicación multimedia (enfocado a los datos)

Protocolo de aplicaciones inalámbricas (wap)

inteligentes

Banda ultra-ancha (uwb)

Sistemas de seguridad para transacciones virtuales

Redes personales de acceso inalámbirco (wpan) basado en zigbee

Generación y envío de noticias, publicidad y eventos en el teléfono celular

Sistemas de administración de bases de datos

Servicios de mercadotecnia móvil y espacio de publicidad móvil

Redes personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en bluetooth Redes personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en zigbee Semiconductores de silicio Redes inalámbricas ad-hoc

Operaciones bancarias desde

pda´s o equipos celulares

Conectividad bus serial de conexión inalámbrica universal (wusb)

Acceso inalámbrico portátil

Redes específicas

Aplicaciones móviles de siguiente generación

Red inalámbrica de área personal (wpan)

Dispositivos inalámbricos para computadoras Nodos inalámbricos con sensores, actuadores, procesadores y sistemas de radiofrecuencia integrados a un chip (iSoC: intelligent system on a chip) Integración de teléfonos móviles con teléfonos corporativos

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Area de aplicación

Área de aplicación específica

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Tecnologías

Productos y servicios

Protocolo de aplicaciones inalámbricas (wap)

Teléfonos celulares con micro-navegadores

Redes personales de acceso inalámbirco (wpan) basado en zigbee

Dispositivos implantables para monitoreo de signos vitales

Ondas de radio de bajo poder

Sensores para sistemas autónomos empleados en robots

Redes personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en bluetooth Redes personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en bluetooth Redes personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en bluetooth

Etiquetas rfid de alta frecuencia para utilizar en control de acceso en edificios

Red inalámbrica pasiva Redes personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en zigbee Redes específicas

Redes inalámbricas ad-hoc

Red inalámbrica pasiva Redes personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en bluetooth

Dispositivos de control de aparatos electrodomésticos

Redes de sensores multimedia inalámbricos (wmsn)

Termógrafo

Redes personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en zigbee

Auriculares inalámbricos para teléfono móvil

Redes personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en bluetooth

Auriculares inalámbricos para teléfono móvil

Ondas de radio de bajo poder

Etiquetas con radio frecuencia (localización de objetos en la obscuridad)

Redes personales de acceso inalámbirco (wpan) basado en bluetooth

Boletos de admisión electrónicos

Red inalámbrica pasiva Redes personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en zigbee

Etiquetas para identificación de animales

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Area de aplicación

Área de aplicación específica

Tecnologías

Redes personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en zigbee

Redes específicas

Redes inalámbricas ad-hoc

Productos y servicios Etiquetas para seguimiento de barricas de cerveza Llaves inteligentes para abrir y arrancar el auto mientras el conductor se encuentra hasta a un metro de distancia

Redes de sensores multimedia inalámbricos (wmsn)

rfid para señales de tráfico inteligentes en la carretera

Redes personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en bluetooth

Etiquetas rfid de alta frecuencia para utilizar en bibliotecas y seguimiento de libros

Redes personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en zigbee

Dispositivos de infrarrojo para envío y recepción de paquetes de información en la red Tarjetas con chips rfid integrados se usan como dinero electrónico

Fuente: Elaboración propia.

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