Contribución al estudio de estrategias de acceso al medio en redes ópticas no guiadas

      UniversidaddeLasPalmasdeGranCanaria  InstitutoparaelDesarrolloTecnológicoylaInnovaciónenComunicaciones   ProgramadeDoctorado: Cibernéticaytelecomunicación       TesisDoctoral:  CONTRIBUCIÓNALESTUDIODEESTRATEGIASDEACCESOAL MEDIOENREDESÓPTICASNOGUIADAS  Autor:CrisantoQuintanaSánchez  Directores:Dr.D.RafaelPérezJiménez Dr.D.JoséAlbertoRabadánBorges    ElDirector  ElCodirector  ElDoctorando LasPalmasdeGranCanaria,a3deSeptiembrede2012          Amispadresyabuelos, pordarmetodo. I     Agradecimientos   Amispadres,CristóbalyGenoveva,sindudaalgunaestedocumentonohubiera sidoposiblesinohubiesecontadoconvuestroapoyoincondicional.Siemprehabéis logradosacarlomejordemi,tantoenlosmomentosbuenoscomoenlosmalos.Les debomuchomásquemieducación.Sencillamente,GRACIAS. AJéssicaporaportarmeinfinitatranquilidad,porhacermeverelladopositivode lascosasantesituacionesdifíciles,portransmitirmeconfianzayapoyoentodo momentoyporsoportarmeenlosmomentosagrios. Amistutores,RafaelyJose,porhabermeintroducidoenelmaravillosomundo delainvestigación.Agradecerleslapacienciaquehantenidodesdequeempecéesta etapa,losconocimientosquemehantransmitidoylaconfianzaquehandepositadoen mitrabajo. AmiscompañerosdelIDeTIC,estetrabajonohabríallegadoabuenpuertosinlas manitasdeAyaya,loslocosbrainstormingsconVíctor,yelapoyodetodos.Noquisiera olvidaraloscompañerosdelaUniversidaddelaLaguna,SilveryOswaldo,ylosdela UPM,Kike,DustinyChechu. Amifamiliayamigosporestarsiempreahí.        A GRADECIMIENTOS  II         EstetrabajohasidoparcialmentefinanciadoporunaayudadelProgramade FormacióndepersonalInvestigadorconvocadaporlaAgenciaCanariadeInvestigación, InnovaciónySociedaddelaInformación(ACIISI).           III     Índicedecontenidos   CAPÍTULO 1:INTRODUCCIÓN ........................................................... 1 1.1.VENTAJASYLIMITACIONESDELASCOMUNICACIONESÓPTICASNOGUIADAS.......................................2 1.2.HIPÓTESIS............................................................................................................................5 1.3.OBJETIVOSYPRINCIPALESAPORTACIONESDELATESIS...................................................................5 1.4.DESCRIPCIÓNDELDOCUMENTO................................................................................................6 CAPÍTULO 2:ESTADO DEL ARTE ..................................................... 9 2.1.COMUNICACIONESÓPTICASNOGUIADAS....................................................................................9 2.2.TÉCNICASDECODIFICACIÓN...................................................................................................11 2.3.ESTÁNDARESYREGULACIONES................................................................................................11 2.4.COMUNICACIONESENESPECTROVISIBLE...................................................................................12 2.5.TÉCNICASDECODIFICACIÓNEMPLEADASENVLC........................................................................14 2.6.CARACTERIZACIÓNDELCANAL................................................................................................16 2.7.APLICACIÓNDETÉCNICASDEESPECTROENSANCHADOALASCOMUNICACIONESÓPTICASNOGUIADAS...18 2.7.1.Espectroensanchadoporsecuenciadirecta(DS,Direct‐Sequence)..........................19 2.7.2.Espectroensanchadoporsaltoenfrecuencia(FH,Frequency‐Hopping)..................19 2.7.3.Espectroensanchadoporsaltodetiempo(TH,Time‐Hopping)................................20 2.8.SECUENCIASDECÓDIGO........................................................................................................22 2.9.REDESÓPTICASBASADASENOCDMA.....................................................................................23 2.10.GRUPOSDEINVESTIGACIÓNNACIONALESEINTERNACIONALESACTIVOSENSISTEMASDE COMUNICACIONESÓPTICASNOGUIADAS.............................................................................................................24 CAPÍTULO 3:TÉCNICAS DE SALTO EN EL TIEMPO APLICADAS AL CANAL ÓPTICO NO GUIADO .......................................... 27 3.1.ARQUITECTURADELSISTEMA..................................................................................................27 ÍNDICEDECONTENIDOS  IV 3.2.TÉCNICASDECODIFICACIÓNENSISTEMASDESALTOENELTIEMPO.................................................29 3.3.RESPUESTADELSISTEMAANTEELFENÓMENODEMULTIPROPAGACIÓN...........................................33 3.4.ESTUDIODELCOMPORTAMIENTODELSISTEMAANTEVARIACIONESDELNÚMERODEPULSOSPORBITDE INFORMACIÓN(NS)........................................................................................................................................38 3.5.RESPUESTADELSISTEMAANTEINTERFERENCIADEBANDAESTRECHA..............................................40 3.6.INTERFERENCIAMULTIUSUARIO...............................................................................................42 3.7.CONCLUSIONESSOBRELOSSISTEMASDESALTOENELTIEMPOPARASISTEMASDECOMUNICACIONES ÓPTICASNOGUIADOS......................................................................................................................................45 CAPÍTULO 4:ESQUEMA DE SINCRONISMO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA ............................................................. 47 4.1.INTRODUCCIÓN....................................................................................................................47 4.2.DESCRIPCIÓNDELPILOTODESINCRONISMO...............................................................................48 4.3.DISEÑODELSISTEMADESINCRONISMO....................................................................................52 4.4.COMPARATIVADELAEFICIENCIAESPECTRALDELSISTEMAPROPUESTOCONOTROSCÓDIGOS...............53 4.5.DISTRIBUCIÓNDELPILOTOENLARED.......................................................................................55 4.6.ESCENARIOSDEAPLICACIÓNYCONSIDERACIONESADICIONALES.....................................................57 4.7.PROPUESTADEIMPLEMENTACIÓNDELSISTEMA.........................................................................58 4.8.CONCLUSIONESSOBREELDISEÑODELSISTEMA..........................................................................59 CAPÍTULO 5:CASO PRÁCTICO DE ESTUDIO. ACCESO A INTERNET EN ENTORNOS CON RESTRICCIONES ELECTROMAGNÉTICAS ................................................................................. 61 5.1.ARQUITECTURADELSISTEMA..................................................................................................62 5.1.1.Enlacetierra‐avión....................................................................................................62 5.1.2.Distribucióninterior...................................................................................................63 5.1.3.Distribuciónalosusuarios.........................................................................................65 5.2.CÁLCULODELASZONASDECOBERTURADELENLACEÓPTICO.........................................................66 5.3.DISEÑODELCANALDERETORNO.............................................................................................71 5.4.IMPLEMENTACIÓNDELSISTEMA..............................................................................................71 5.5.CONCLUSIONESSOBREELSISTEMA...........................................................................................75 CAPÍTULO 6:RESULTADOS ............................................................. 77 6.1.SISTEMABASADOTÉCNICASDESALTOENELTIEMPO...................................................................77 6.2.INTERFAZETHERNET‐VLC......................................................................................................80 6.3.PROTOTIPOBICANALBASADOENLEDSRGB..............................................................................86 6.4.SEGURIDADENLOSSISTEMASVLC..........................................................................................90 6.5.CONCLUSIONESDELCAPÍTULO................................................................................................92 ÍNDICEDECONTENIDOS  V CAPÍTULO 7:CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS ................. 93 7.1.CONCLUSIONES....................................................................................................................93 7.2.LÍNEASFUTURAS..................................................................................................................95 7.3.PUBLICACIONESDERIVADAS....................................................................................................97 7.3.1.Revistasinternacionales............................................................................................97 7.3.2.Congresosinternacionales.........................................................................................97 7.3.3.Congresosnacionales................................................................................................97 7.3.4.Artículosremitidospendientesderevisión................................................................98 BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................ 99              ÍNDICEDECONTENIDOS  VI          XIII     Resumen   Enlosúltimosaños,lossistemasdeiluminaciónporledsehanconsolidadoenel mercadonosólodebidoalahorroenergéticoquegeneran,sinotambiénporla posibilidaddeimplementarsistemasdetransmisióndedatosdemedia‐altavelocidad, dandolugaratecnologíaconocidacomoVLC(VisibleLightCommunications).Elanchode bandadeestossistemaspuedeserutilizadoparaofrecerunsolocanaldealtavelocidad, omúltiplescanalesdebajavelocidad,quepermitiríanlaimplementacióndeunaredes desensores.Enamboscasosesnecesarialautilizacióndetécnicasdeaccesoalmedio paraimplementarelcanaldeuplinkoinclusopermitirlacomunicaciónentrelos diferentesnodos. Entrabajospreviosrealizadosenelgrupo,sehademostradoquelastécnicasde espectroensanchado,nosólopermitenlaimplementacióndetécnicasdeaccesoal mediobasadasenmultiplexaciónpordivisióndecódigo,sinoquetambiénañadenuna muybuenarespuestaantefenómenostípicosenloscanalesópticosnoguiados,tales comolamultipropagaciónolasinterferenciasdebandaestrechageneradaporotras fuentesdeluz.Estatesissebasaenelestudiodedichastécnicasconelfindeestablecer cuáleslamásidóneaparaimplementarredesdedatososensoresenentornosópticos noguiados.Apriori,secreequelasencillezycaracterísticastemporales(pulsosmuy cortosydealtapotencia)delasseñalestime‐hopping,hacendeestatécnicade codificaciónunaopcióninteresanteparalogrardosdelosobjetivosprioritariosenel diseñodeunareddesensores,unafácilimplementaciónyunbajoconsumoque aumentelaautonomíadeldispositivo. Conestatecnologíaesposibleacometerlaimplantaciónderedesdesensoresde bajavelocidad,comolasutilizadasparaimplementarredesdomóticasenelhogaroen entornosturísticosylasIOT(InternetofThings)engeneral.Además,podríaserutilizada pararealizarenlacesdesubidarobustosparasistemasVLC,deformaquenosegeneren interferenciasmultiusuariosniseproduzcanproblemasporcompatibilidadEMen RESUMEN XIV entornostalescomoloshospitalarios,losindustrialesolosaeronáuticos.Porello,en estatesisseproponeunasoluciónbasadaencomunicacionesópticasnoguiadaspara ofrecerserviciosdeentretenimientoabordodeaviones(IFE,In‐flight‐Entertainment).   XV     Abstract   Duringthelastyears,LEDbasedsystemshavegrowntobecomeoneofthemost successfulproductsintheilluminationmarket.Thistechnologynotonlyoffersenergy saving,butalsoallowstheimplementationofmedium/highdataratetransmission systems,whichisknownasVisibleLightCommunications.Theavailablebandwidthcan beusedtooffereitherahighspeedbroadcastchannelorseverallowspeedones,which couldbeusedtomakeasensornetwork.Inbothsituations,mediumaccesstechniques shouldbeemployedtoimplementtheuplinkchanneloreventoallowthe communicationbetweendifferentnodes. Furthermore,previousworksmadebythisresearchgrouphavedemonstrated thatspreadspectrumschemesoffer,notonlytheimplementationofcodedivision accesstechniques,butalsoagoodresponseagainstcommonphenomenonofthe wirelessopticalchannel,suchasmultipathornarrowbandinterferencegeneratedby otherilluminationsources.Thisthesisexplorestheuseofthesetechniqueswiththeaim ofestablishwhichoneisthemostsuitabletoimplementwirelessopticalsensor networksordataones.Itisbelievedthatthesimplicityandthetime‐signal characteristics(sharppulses)ofthetime‐hoppingschemes,makethemassointeresting solutiontoreachthetwomainobjectivesofasensornetworkdesign:aneasy implementationandalowpowerconsumptionthatincreasesthedeviceautonomy. Thistechnologyallowstheimplementationoflowspeedsensornetworks,as couldbeusedinsmartcityapplications,touristicenvironments,orIOT(Internetof Things)ingeneral.Moreover,itcouldbeusedtoimplementrobustuplinksinVLC systems,minimizingthemultiuserinterferenceandavoidinganyEMincompatibility probleminhospital,industrialoraeronauticalenvironments.Asapracticalapproach, thisthesisproposesawirelessopticalbasedsystemtoofferIFE(In‐flight‐Entertainment) services. ABSTRACT XVI   XVII     Glosario   ACO‐OFDM  AsymmetricallyClippedOpticalOFDM ADC   Analog‐to‐DigitalConverter AES   AdvancedEncryptionStandard AFDX   AvionicsFull‐DuplexSwitchedEthernet ANSI   AmericanNationalStandardsInstitute AOC   AlgorithmOpticalCodes APD   AvalanchePhotodiode ARP   AddressResolutionProtocol AWGN  AdditiveWhiteGaussianNoise BPSK   BinaryPhaseShiftKeying CLB   ConfigurableLogicBlock CPLD   ComplexProgrammableLogicDevice CR‐DPPM  ConstantRateDifferentialPulsePositionModulation CSK   ColourShiftKeying DAC   Digital‐to‐AnalogConverter DCO‐OFDM  DC‐BiasedOpticalOFDM DD   DirectDetection DDS   DirectDigitalSynthesizer DES   DataEncryptionStandard DPPM  DifferentialPPM GLOSARIO XVIII DS  DirectSequence DSP   DigitalSignalProcessor DTM   DiscreteMultitoneModulation ESA   EuropeanSpaceAgency FAA   FederalAviationAdministration FCC   FederalCommunicationsCommitee FH  FrequencyHopping FOV  FieldOfView FPGA   FieldProgrammableGateArray Gp  GainProcess GPS   GlobalPositioningSystem GSM   GlobalSystemforMobileCommunications IDeTIC  InstitutoparaelDesarrolloTecnológicoylaInnovaciónen   Comunicaciones IEC   InternationalElectrotechnicalCommission IEEE   InstituteofElectricalandElectronicsEngineers IFE  In‐flightentertainment IFFT   InverseFastFourierTransform IM  IntensityModulation IOT   InternetofThings IR   Infrared IR‐UWB ImpulsiveRadio‐Ultra‐Wide‐Band ISP   InternetServiceProvider LOS   Line‐of‐Sight LTE  LongTermEvolution MII   MediaIndependentInterface MIMO  MultipleInputMultipleOutput MLS  MaximumLengthSequence MMSE  MinimumMeanSquareError MSM  Multi‐Sub‐CarrierModulation NEP   NoiseEquivalentPower GLOSARIO XIX NFC   NearFieldCommunications OCDMA  OpticalCDMA OFDM  OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing OLED   OrganicLED OOC   OpticalOrthogonalCodes OOK   On‐Off‐Keying PLC   PowerLineCommunications PoE   PowerOverEthernet PPM   PulsePositionModulation PSU   PassengerServiceUnit PWM   PulseWidthModulation RI   RandomInteger ROC   RandomOpticalCodes RTCA   RadioTechnicalCommissionforAeronautics RTT   Round‐Trip‐Time SA   SimulatedAnnealing SGA   StandardGaussianAproximation SIR   SignalInterferenceRatio SNR  SignalNoiseRatio SS  SpreadSpectrum SSL  SolidStateLighting TDM   TimeDivisionMultiplexing UMTS  UniversalMobileTelecommunicationsSystem UPM   UniversidadPolitécnicadeMadrid UWB   UltraWideBand VHDL   VHSICHardwareDescriptionLanguage VLC   VisibleLightCommunications VOOK  VariableOOK VPPM  VariablePPM WDM   WavelengthDivisionMultiplexing GLOSARIO XX WEP   WiredEquivalentPrivacy Wimax  WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess WMSN  WirelessMultimediaSensorNetwork WPA   WiFiProtectedAccess WPAN  WirelessPersonalAreaNetwoks WUSB  WirelessUSB YB   Yellow‐Blue ZCZ   ZeroCorrelationZone ZF   Zero‐Forcing    1      Capítulo1: Introducción   Recientementehasurgidounnuevoparadigma,conocidocomo"internetdelas cosas",queestárevolucionandoelmercadodelastelecomunicacionesinalámbricas.A pesardequeesteconceptoestáevolucionandoconstantemente,laideabásica consisteenlapresenciaanuestroalrededordemultituddedispositivosuobjetos capacesdecomunicarseytomardecisionesentreellosconelfindealcanzarun objetivoconcreto. Esteconceptodalugarainfinidaddeentornosdeaplicacióncomopuedenser elhogardigital,dondeseutilizanrobotsdomésticosysensoresparamonitorizaruna viviendademaneraremota,usandosolucionesdecomputaciónenlanube1.Además, seríaposibleintroducirsolucionesdomóticaslograndonosólomejorarlaseguridad, sinotambiéngenerandohogaresmuchomáseficientesenergéticamente.Otras aplicacionesdomésticascomolatelevisióninteractiva,videollamadas,e‐healtho asistentespersonaleselectrónicos,puedenllegaraliderarelmercadoenunfuturo cercano[Atzori10]. Lasentidadesgubernamentalestambiénsehansentidoatraídasporesta tendenciatecnológicadandolugaralconceptodeloqueseconocecomociudad inteligenteoSmartCity.Estohaprovocadoeldesarrollodemultituddeproyectos destinadosalograrunagestiónautomáticayeficientedelasinfraestructurasy serviciosurbanos,loquegeneraunareduccióndelgastopúblicoylamejoradela calidaddelosserviciosprestados[Kehua11]. Todasestasaplicacionesgeneranungranvolumendedatosatransferirentre sensores,actuadores,dispositivosmóvilesylanube,requiriendoeldesplieguede multitudderedesinalámbricastantodesensores,comodealtavelocidad.Apesarde   1Computaciónenlanubeesunnuevoparadigmaquepermiteofrecerserviciosde computaciónatravésdeInternet. CAPÍTULO1:INTRODUCCIÓN 2 queexisteunagrancantidaddesistemasdecomunicacionesbasadosen radiofrecuencia(Wimax‐WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess‐,WiFi, Bluetooth,Zigbee,UMTS‐UniversalMobileTelecommunicationsSystem‐,LTE‐Long TermEvolution‐,etc.),existenalgunosentornostalescomoloshospitalarios, aeronáuticosolosindustriales,enloscualesademásdelasaturacióndelespectro, existenseverasrestriccionesdeemisiónelectromagnéticasquehaceninviableeluso deestetipodesistemas.  1.1. Ventajasylimitacionesdelascomunicacionesópticasno guiadas Lascomunicacionesópticasnoguiadassebasanenlatransmisióndedatos usandoradiaciónlumínicaconlongitudesdeondacomprendidasentreelinfrarrojoy elultravioleta.Estalocalizaciónenelespectroofrecenosólolaposibilidaddedisponer deunanchodebandamuyelevadoysinrestriccioneslegalesenningúnpaís,másallá delasreferidasalaseguridadocular,sinoademásevitarcualquiertipode incompatibilidadelectromagnéticaconlossistemasdeRFconvencionales.Estehecho hacequelascomunicacionesópticasnoguiadassepostulencomounatecnologíano sólocomplementariaalaradiofrecuencia,sinoinclusocomounaalternativaenciertos entornosdeaplicación. AdiferenciadelasemisionesenRF,laradiaciónópticanopuedeatravesar paredesuotrosobjetosopacos.Sibienestopuedeseruninconvenienteen determinadostiposdeenlaces,tambiénesunaventajayaquelaradiaciónqueda confinadadentrodelahabitación,evitándoseposiblesinterferenciasconentornos adyacentesyhaciendolastransmisionesmássegurasquelossistemasdeRFante oyentesnodeseados2.Enaplicacionesdondeserequirieraunamayorprivacidaddelos datos,seránecesariointroducirtécnicasdeencriptaciónadicionales,quecomúnmente setraducenenunainfrautilizacióndelanchodebandaoenunincrementodela complejidadhardwaredelsistema.Enestatesissehaestudiadoesteproblemaen enlacessobreluzvisible,dandocomoresultadounamodificacióndelacodificaciónCR‐ DPPM(ConstantRateDifferentialPulsePositionModulation)queseráexpuesta posteriormente. Lossistemasdecomunicacionesbasadosenlatecnologíaradioemplean comúnmentemodulacionesdeamplitud,frecuencia,faseounacombinacióndeellas, sinembargo,enelcampodelascomunicacionesópticasnoguiadaslatécnicamás empleadaeslamodulaciónporintensidad(IM,IntensityModulation),dondelaluz emitidadependelinealmentedelacantidaddecorrientequeexcitaalledoalláser. Porsuparte,laconversiónoptoeléctricaserealizanormalmenteconfotodiodosde  2Tambiénconocidosporeltérminoanglosajóneavesdroppers. CAPÍTULO2:ESTADODELARTE 9     Capítulo2: Estadodelarte   Conelfindeponerestatesisensucontexto,enestecapítulosepresentanlos conceptosbásicosylaevolucióntecnológicaquehanpresentadolossistemasde comunicacionesópticasnoguiadasdurantelosúltimosaños.Sibienestatecnología poseeciertasventajasantelossistemasbasadosenradiofrecuencia,elcanalópticono guiadoesunmediodetransmisiónbastantehostil,debidonosóloalapresenciade fenómenosdemultipropagaciónyalaelevadaatenuacióndelcanal,sinoademáspor laexistenciadeotrasfuentesdeiluminaciónquedificultanlatransmisión. Lastécnicasdeespectroensanchadosepresentancomounaalternativapara mitigarestetipodefenómenos.Enestecapítulosepresentansuscaracterísticasylas ventajasqueintroducenalahoradeimplementarsistemasdecomunicacionesópticas noguiadas,haciendoespecialhincapiéenlastécnicasdesaltoeneltiempo,sobrelas queversaestetrabajo.  2.1. Comunicacionesópticasnoguiadas Laideadetransmitirdatospormediodelaluznoesnueva,sinembargo,fuea partirde1979cuandoempezaronaaparecerlosprimerosdesarrollosenelcampode lascomunicacionesópticasnoguiadas,enbuscadereducirtamaño,pesoyconsumo delosdispositivosmóviles[Gfeller79].Apesardequeenlaactualidadelmercadode lastelecomunicacionesestádominadoporlossistemasderadiofrecuencia,las comunicacionesópticasnoguiadasposeencaracterísticasquelaspermitenpostularse comounatecnologíacomplementaria[Boucouvalas05],einclusocomounaalternativa endeterminadosentornosdeaplicación. Tradicionalmente,losenlacesópticosnoguiadossehanclasificadoenseistipos deconfiguracionesdiferentesenfuncióndedoscriteriosfundamentales:laexistencia onodevisióndirectayelgradodedirectividadentreeltransmisoryelreceptor [Kahn97].Sinembargo,lamayoríadelosdesarrollosrealizadosempleanenlaces CAPÍTULO2:ESTADODELARTE 10 difusosodirectivosconvisióndirecta.Losprimerossebasanenelusodeemisorescon unanchodiagramaderadiaciónyreceptoresconampliocampodevisión(FOV,Field OfView),quepermitenlacomunicacióninclusosinlapresenciadevisióndirecta graciasalasmúltiplesreflexionesqueseproducenendiferenteselementosdela habitación.Dichosreflejosdispersanlaseñaleneldominiotemporallimitandolas tasasmáximasdetransmisión,peropermitenunamayormovilidaddelosusuarios. Comúnmente,estaconfiguraciónseempleaeninterioresparaimplementarredesde datososensorescomolaquesemuestraenlafigura2‐1,dondeelanchopatrónde radiacióndelalámparatransmisorapermitelograrampliasáreasdecoberturayla comunicacióncontodoslosdispositivosdistribuidosalolargodelahabitación.Con estatopologíaCarruthersyKahndemostrarontasasdetransmisiónde70Mbpsenel año2000[Carruthers00],sinembargoenlosúltimosaños,coneldesarrollodelos receptorescondiversidadangularylossistemasMIMO(MultipleInput‐Multiple Output),sehanalcanzadovelocidadesde200Mbps[Jivkova04].  Figura2‐1.Sistemadecomunicacionesópticasnoguiadobasadoenunenlacedifuso. Otraconfiguracióncomúnmenteutilizadasonlosenlacespuntoapunto,donde lavisióndirectaentreeltransmisoryelreceptor,yelaltogradodeapuntamientoque existeentreambos,permiteevitarlapresenciadelfenómenodemultipropagación. Delmismomodo,estopermiteenlacesmuchomáseficientesenergéticamenteacosta delimitarlamovilidaddelusuario.Durantelosúltimosaños,estatopologíahasido empleadaparaimplementarenlacesdedatosentreedificios[Kedar04], intersatelitales,dondeesdignodemenciónelproyectoSILEXdelaESA(European SpaceAgency)[Sodnik10],osimplementepuntoapuntodecortadistancia,dondese hanllegadoaalcanzartasasdetransmisiónde1,25GbpsutilizandotécnicasMIMO [O'Brien10].Estaconfiguracióntambiénpodríaserutilizadaparaofreceralossistemas deHomeCinema,comoelquesemuestraenlafigura2‐2,laposibilidaddeeliminarel CAPÍTULO2:ESTADODELARTE 11 cableadoy,porende,simplificarlainstalacióndelmismo.Eneldispositivocentral habrátantosemisorescomoaltavocesperiféricosyseránecesariorealizarelprevio apuntamientoentrelosdispositivos.  Figura2‐2.Sistemadecomunicacionesópticasnoguiadobasadoenenlacespuntoapunto convisióndirecta.  2.2. Técnicasdecodificación Adiferenciadelossistemasderadiofrecuencia,lastécnicasdecodificaciónmás empleadaseneldominioópticosonlasOOKyPPMdebidoalagransimplicidadde implementacióneintegraciónqueposeen[Elgala11].Existenotrastécnicasmás complejasqueofrecenunamayoreficienciaespectral,perosiempreexistiendoun compromisoentrelasprestacionesylaeficienciaenpotencia[Hrarilovic04]. Durantelosúltimosaños,tambiénsehanexploradotécnicasdemodulación analógicastalescomoFQPSK[Perez‐Jimenez96],GMSK[Perez‐Jimenez00]oSingle‐ Carrier[Acolatse11].Muchosinvestigadores,atraídosporsualtaeficienciaespectral, hanestudiadoelusodetécnicasmultisubportadora(MSM,Multi‐Sub‐Carrier Modulation)enestetipodeentornos,siendodignosdedestacarlostrabajos realizadosenesquemasOFDM[González05b][Armstrong09][Elgala09].  2.3. Estándaresyregulaciones Apesardequeparalaimplantacióndesistemasdecomunicacionesópticasno guiadosnoserequierelasolicituddelicenciasquecontrolanlasaturacióndel espectro,síqueexistenregulacionesdeemisiónparaevitarlesionesoculareso cutáneasalosusuariosqueseencuentrenenelentorno.OrganismoscomolaIEC [IEC07]olaANSI(ANSIZ136.1)[ANSI07]hanfijadounoslímitesdepotenciasde emisiónenIRquevaríanenfuncióndelalongituddeonda,eltamañodelafuenteysu CAPÍTULO2:ESTADODELARTE 12 directividad.Dichasrestriccionesúnicamenteafectanalosdispositivosláserdebidoa laaltacoherenciaespectralytemporaldelaradiaciónqueemiten,quedandoexentos deregulaciónlossistemasVLC. Enloquerespectaalosestándaresdecomunicaciones,elsistemacomercial másconocidoeseldesarrolladoporelconsorcioIrDA[IrDA],quedefineenlaces bidireccionalesempleandoradiaciónIR,debajocosteydealcancelimitado(1a3m), convelocidadesdesde9,6Kbps(SIR)hasta1Gbps(GigaIR)yconmuybajoconsumode potencia,siendounaalternativabaratayseguraalossistemasBluetooth.Porotro lado,enladefinicióndelestándarIEEE802.11seespecificaunaimplementacióndel nivelfísicobasadaencomunicacionesópticasnoguiadasenIR.Enellaseexponeun modoquepermitetasasde1Mbpsempleandocodificaciones16‐PPM,yotroque duplicalavelocidaddetransmisiónutilizando4PPM[IEEE802.11‐97].Sinembargo, ambosestándaresestánenlaactualidadendesuso,habiendosidosuperadosenel mercadodelastelecomunicacionesporlossistemasderadiofrecuenciaBluetoothy WiFirespectivamente.  2.4. Comunicacionesenespectrovisible Enlosúltimosaños,lasadministracionespúblicasestánhaciendoespecial hincapiéenintentarsustituirlaslámparasconvencionalesporlasdeleds,también  Figura2‐3.Arquitecturadelsistemapropuestoparainteriores[VLCC]. denominadassistemasdeiluminacióndeestadosólido(SSL,SolidStateLighting),ya quenosóloposeenunamejoreficienciaeléctricaydurabilidad,sinoqueademásson CAPÍTULO2:ESTADODELARTE 13 másresistentesadiferentescondicionesatmosféricaseintroducenlaposibilidadde creardistintosambientescondiferentescoloresointensidades[Craford92][Zhou07]. Estohadadolugaraunnuevoconceptoenelcampodelascomunicacionesópticas, conocidocomoVLC[Tanaka03][Komine04].Estossistemassecaracterizanporutilizar laslámparasdeledsconespectrodeemisiónblancoparatransmitirdatosdigitales, ademásdeparailuminarelentorno. Básicamenteexistendostecnologíasbiendiferenciadasparalageneraciónde luzblancaenlaslámparasSSL:  Ledsfosforescentes,tambiénconocidoscomoYB‐led,cuyoprincipiode funcionamientosebasaenutilizarunledazul,comúnmentefabricadode InGaN,cubiertoporunacapadefósforo.Apesardequeestosdispositivos secaracterizanportenerunreducidocoste,poseenunespectrodeemisión fijoyunavelocidaddeconmutaciónlimitadaa4o5Mbpsdebidoaltiempo decaídaquegeneralapersistenciadelfósforo.Sinembargo,esteefectose puedemitigarfiltrandoópticamentelacomponenteazuldelaseñalrecibida, llegándosealogrartasasdetransmisióndehasta100Mbpscon codificacionesOOK[O'Brien08].Basándoseenelmismoprocedimientoy empleandomodulacionesmuchomáseficientesespectralmentecomoDTM (DiscreteMultitoneModulation),Vuçicetal.hanlogradomejorarestatasa detransmisiónhastaalcanzar230Mbps[Vuçic10].  Figura2‐4.RespuestatemporaldelaseñalópticaemitidaparaunalámparaLuxeon‐ StarYB‐led[Luxeon].  LedsmultichipRGB,queconsistenenlacombinacióndetresledsrojo,verde yazulenunmismodispositivo.Sibienestosdispositivossonbastantemás carosquelosledsfosforescentes,poseenvelocidadesdeconmutaciónmás elevadasylacapacidaddegenerardiferentestonalidadesylucesde ambienteúnicamentemodificandolacorrientequecirculaporcadaunode ellos.AdemáspermitenlaimplementacióndetécnicasWDM(Wavelength DivisionMultiplexing)[Shrestha10],conlasquesehanalcanzadotasasde hasta803Mbps[Vuçic11]3.Dehecho,enestatesissehaexploradoelusode  3Estasmedidashansidologradasadistanciadepocoscentímetrosyencondicionesmuy ideales,tantodeapuntamiento,comoporlaausenciadeinterferenciaslumínicas. CAPÍTULO2:ESTADODELARTE 14 estastécnicaslográndoseimplementarunsistemabicanalcompuestoporun enlacedealtavelocidadyunareddesensores. Apartedeestosdosmétodos,elconstanteavancetecnológicoqueseha llevadoacaboenestecampoenlosúltimosaños,hapropiciadolairrupciónenel mercadodeotroscomponentescomolosledsRGB‐A,queañadenaloscomunesRGB uncuartoledámbar,olosOLED(OrganicLED),basadosenlaelectroluminiscenciaque presentanciertosmaterialesorgánicosdepequeñamolécula.Apesardequeéstos últimostienensumayornichodemercadoenlaelectrónicadeconsumo,yasehan empezadoautilizarcomodispositivosdeiluminación,debidoprincipalmenteasu mayoreficienciaenergéticayflexibilidad.Sinembargo,suusocomoemisoresen sistemasVLCeshastaelmomentoreducidoyaquepresentantiemposde conmutaciónsuperioresalosdeotrosdispositivosSSL. Enloquerespectaaladeteccióndeestasseñales,comúnmenteseemplean fotodiodoscomercialesdesilicio,tantoPINcomoAPD(AvalanchePhotodiode),que poseenunamejorresponsividadenregionespróximasalinfrarrojo,aunquetambién soncapacesdecaptarlongitudesdeondacercanasalazul.Aestosdispositivosserá necesarioañadirlesfiltrosópticosinterferométricosdemuyelevadocosteenelcaso dequererempleartécnicasWDMsobreledsRGB.  2.5. TécnicasdecodificaciónempleadasenVLC Desdelosprimerostrabajossobrecomunicacionesópticasnoguiadas,muchos investigadoressehancentradoenlabúsquedadetécnicasdemodulaciónrobustas antefenómenosdemultipropagación,queposeanunabuenaeficienciaespectral,ya suvezquepermitanunasencillageneraciónydetección.Sinembargo,notodasestas técnicaspuedenserextrapoladasalcampodelascomunicacionesporluzvisible puestoquelalámparadebemantenersufuncionalidadcomodispositivode iluminación,locualsetraduceenevitarfenómenosdeparpadeo(tambiénconocido comoflickering)ypermitiralusuarioelcontroldeintensidad(dimming).Debidoala grancantidaddeaplicacionesindustriales,publicacionescientíficasypatentesquehan aparecidodesdeelnacimientodeestatecnología,surgeen2009elgrupodetrabajo IEEE802.15.7conelobjetivoprincipaldeunificarydefinirlastécnicasdemodulacióna emplearporestetipodesistemas.Comofrutodesutrabajo,sepublicaenseptiembre de2011elprimerestándardelatecnologíaVLC,enelquesedefinelacapaMACytres posiblesimplementacionesdelnivelfísico,soportandotopologíastantopeer‐to‐peer comoenestrella,contasasdetransmisióndesde11,67Kbpshasta96Mbps [IEEE802.15.7‐2011]. C APÍTULO 2:  E STADODELARTE  15  Figura2‐5.DistribucióndecoloresdelacodificaciónCSK[VLCC]. AunquelosproblemasdeparpadeoquepuedenaparecerusandoOOKse puedenevitarintroduciendounacodificaciónManchesterocodificadoresdebloque quelimitenlaslargassecuenciasdeunosoceros,esnecesariorecurriraesquemas VOOK(VariableOOK)paraofreceruncontroldeluminosidadajustable.Estatécnicase basaentransmitireldatoenOOKconunciclodetrabajomuyreducidoyañadira continuaciónpulsoshastalograrelniveldedimmingdeseado[Lee11].Otraposibilidad consisteencombinarunacodificación2PPMcontécnicasPWM(PulseWidth Modulation)paradarlugaraesquemasVPPM(VariablePPM)[Kang09].Latercera propuestaenelestándaresconocidacomoCSK(ColourShiftKeying),enlacualse empleanlosbitsdedatosparaseleccionardiferenteslongitudesdeondaquese transmitiránencadainstantedetiempo.Sehanpropuestoconstelacionesde4,8y16 colores,siendonecesarioseleccionarcuidadosamentelaconstelacióndecoloresa emplear[Drost10]. Apesardequeéstassonlastécnicasdecodificaciónpropuestasporel estándar,durantelosúltimosañosmultituddegruposdeinvestigaciónhanestudiado elusodeotrasmodulacionesparaimplementarsistemasVLC.ArmstrongyMeslehet al.hanexploradoelusodetécnicasOFDMconelfindelograrsistemasde comunicacionesconunaeficienciaespectralmuyaltayelevadarobustezfrentea multipropagación[Armstrong09][Mesleh11b].Parapoderemplearestasseñales bipolareseneldominioópticoserecurrecomúnmenteadostécnicasbien diferenciadas:DCO‐OFDM(DC‐BiasedOpticalOFDM)yACO‐OFDM(Asymmetrically ClippedOpticalOFDM).Laprimeradeellassebasaenintroducirunniveldecontinua parapolarizaralledenlaregiónlineal,mientrasquelasegundaopcióneliminalas CAPÍTULO2:ESTADODELARTE 16 componentesparesdelaIFFT(InverseFastFourierTransform),reduciendoalamitad laeficienciaespectraldelamodulación.Apesardequeyasehanrealizado implementacionesendispositivosprogramablescomoFPGA(FieldProgrammableGate Array)[Stefan11],estossistemasconllevanunaltocosteencomplejidad computacionaldadalanecesidadderealizarlasFFTeIFFT,yrequierenelusodeADC (Analog‐to‐DigitalConverter)yDAC(Digital‐to‐AnalogConverter)capacesdetrabajara elevadasfrecuenciasdemuestreo.Además,esnecesarioempleardispositivos completamentelinealesentodoelanchodebandadetrabajo,tantoenlacadena transmisoracomoenlareceptora.  Figura2‐6.EsquemasDCO‐OFDMyACO‐OFDM[Mesleh11b]. Enelgrupodeinvestigaciónenelquesehadesarrolladoestatesis,seha optadoporsistemasqueminimicenlacomplejidadycostedelsistema.Paraellose hanexplorado,siguiendouncaminoparaleloaldelcomitédeestandarización, codificacionescomolaDPPM(DifferentialPPM)[Delgado10],dondeseconsiguen prestacionessimilaresalasdelaPPMconundecodificadormuchomássimplificado basadoenundetectordenivelyuncomparador.Asimismo,estatécnicade codificaciónofreceunatasadetransmisiónconstantequefacilitalaimplementación desistemasmultimediayeliminaproblemasdeparpadeo.  2.6. Caracterizacióndelcanal Comúnmentelossistemasdecomunicacionesópticasnoguiadasbasadosen IM/DDsemodelancomounsistemalinealytemporalmenteinvarianteenbandabase, dondelafotocorrientegeneradaeneldetectorsepuedeestimarcomolaconvolución CAPÍTULO2:ESTADODELARTE 17 entrelapotenciainstantánearadiadaporlafuente,I(t),ylarespuestaalimpulsodel canal. 󰇛󰇜∙󰇛󰇜⨂󰇛󰇜󰇛󰇜󰇛󰇜 Ecuación2‐1 DondeRrepresentalaresponsividaddelfotodiodo.Además,durantela propagación,laseñaltransmitidaseveafectadaporruido,n(t),einterferencia producidaporotrasfuentesdeiluminación(i(t))[Kahn97]. Larespuestaalimpulsodelcanal,h(t),vendrádeterminadaporlaposicióny propiedadesdeltransmisorydelreceptor,asícomodelasmúltiplesreflexionesquese puedenproducirenelentorno,generandoloqueseconocecomounperfilde potencia.Lostrabajosrealizadosdestinadosalograrcaracterizarelcanalópticono guiadosepuedenagruparen:medidas[Kahn95][Hashemi94]ysimulaciones,los cualesempleanalgoritmosquesepuedenclasificareniterativos[Barry93][Perez‐ Jimenez95][Lopez‐Hernandez97]oestadísticos,basadosenmétodosdeMonteCarloy trazadoderayos[Loez‐Hernandez00][González05].Sibienlamayoríadeestos trabajosfueronrealizadossobreradiacióninfrarroja,recientementehanaparecidolos primerosestudiossobreelcanalenvisible,dondenosólosetieneencuentala distribuciónespectraldelemisor,sinotambiénlavariacióndelosparámetrosde reflectanciadelasparedesconlalongituddeonda[Cui09][Lee11b]. Paralarealizacióndelaconversiónoptoeléctricaenelreceptorcomúnmente seempleanfotodiodosPINdesilicio,queademásdedetectarlaseñalópticade interés,introducenunruidoadicional.Existendosfuentesdominantes:elruido térmicoproducidoporloscomponentesresistivosexistentesenlaetapade preamplificación,yelruidoshotgeneradoporotrasfuentesdeiluminacióncomoel sol.Elprimerosemodelacomounafuentederuidogaussianodondesuvarianzaviene determinadaporlasiguienteexpresión: é 4 Ecuación2‐2 DondeKeslacontantedeBoltzman,TlatemperaturaabsolutayRFla resistenciadelamplificador[Kahn97]. Comúnmente,elruidoshoteslamayorfuentederuidoexistenteenlos sistemasdecomunicacionesópticasnoguiados.Losfotonesgeneradosporotras fuentesdeiluminaciónexistentesenelcanalprovocanlageneraciónaleatoriade portadores,siguiendounadistribucióndePoisson,quesetraduceenlaapariciónde unacorrientecontinuaenlosdetectores.Sinembargo,debidoalaaltaintensidadde estafuentederuidoyconsiderandoelteoremacentraldellímite,comúnmentese modelacomounprocesogaussianoindependienteconvarianza: CAPÍTULO2:ESTADODELARTE 18  2Ecuación2‐3 Dondeqeslacargadelelectrón,RlaresponsividaddelfotodiodoyPNla potenciaópticaderuidorecibida[Hrarilovic04]. Enlosescenariosdeaplicacióndelascomunicacionesópticasnoguiadas puedenexistirotrasfuentesderadiaciónópticacomolasbombillasincandescenteso losfluorescentes.Sibienestasfuentesclásicassecaracterizanporgeneraruna interferenciaeléctricadebandaestrechaconarmónicosdesde100HzapocosKHz,las novedosaslámparasdebalastroelectrónicooperanafrecuenciasquevandesde30 hastaincluso500KHz[Hauske10].Paramitigarsuefectosepuedenutilizarfiltros ópticos[Narasimhan96]oeléctricos[Moreira96],obienusartécnicasdecodificación conpocascomponentesabajafrecuencia[Perez‐Jimenez00]otécnicasdeespectro ensanchado[Huh02].Otrosinvestigadoreshanexploradoelusodealgoritmos adaptativos,talescomoMMSE(MinimumMeanSquareError)oZF(Zero‐Forcing) [Hauske11][Park12],llegandoalogrargananciasdehasta20dB.  2.7. Aplicacióndetécnicasdeespectroensanchadoalas comunicacionesópticasnoguiadas Unsistemadeespectroensanchado(SS,SpreadSpectrum)esaquélenelqueel anchodebandadetransmisiónesmuchomayorqueelmínimorequeridopara transmitirlainformación.Esteensanchamientoespectralselograapartirdeunaseñal degrananchodebandadenominadaseñaldecódigo,quesecaracterizaporteneruna aparienciapseudoaleatoriayporserindependientedelosdatosatransmitir [Scholtz82].  Figura2‐7.PrincipiodefuncionamientodelSS[Rabadán01]. LossistemasdeespectroensanchadofuerondesarrolladosdurantelaSegunda GuerraMundialconlaintencióndeimplementarsistemasdecomunicacionesdealto rechazoalasinterferenciasydemejorarlossistemasdeguiadodearmasyaexistentes C APÍTULO 2:  E STADODELARTE  25 realizadoestudiosacercadelusodelatecnologíaPLC(PowerLineCommunications) comobackboneprincipalpararealizarladistribucióndentrodeloshogares[Tonelo10].  Figura2‐11.PosiblearquitecturadesistemadelproyectoOMEGA[Larger08]. Tambiénsondignosdemencionarlosestudiossobrereceptorescondiversidad espacialrealizadosenlaUniversidaddeEdimburgo[Mesleh11]ylostrabajossobre técnicasOFDMllevadosacaboenelJacobsUniversity(Alemania)[Elgala09]. EnEstadosUnidosdestacanlosgruposquesehangeneradoapartirdelos trabajosdeJ.M.KahnenlaUniversidaddeBerkeley[Berkeley]yelgrupodeJ. CarruthersyT.LittleenlaUniversidaddeBoston.Estosúltimossonloscoordinadores delproyectoSMARTLIGHT,destinadoaldesarrollodeaplicacionesVLCenentornos domésticos[Little08][Chau10].Otrostrabajosquehantenidobastanterepercusiónen elcampodelascomunicacionespuntoapuntoenespaciolibresonlosrealizadospor Hajjarianetal.enlaUniversidaddePensilvaniabajoladireccióndeM.Kavehrad [Hajjarian09]. Porsuparte,enelcontinenteasiático,hayquehacermenciónespecialala actividadqueserealizaenJapón,nosóloporserellugardondenacióestatecnología traslostrabajosdeKomineyNakagawaenlaUniversidadKeio[Komine03],sino tambiénporlagranapuestaqueseharealizadodesdeeltejidoempresarial.Dehecho, en2003secreóelprimerconsorcio,elVisibleLightCommunicationsConsortium [VLCC],quedesdeentonceshatenidounagranrepercusióntantoenelprocesode estandarización,comoenlapublicitaciónydivulgacióndelatecnología.Entrelagran cantidaddedemostradoresquesehandesarrolladodestacanlascomunicaciones coches‐semáforosdesarrolladasenlaUniversidaddeNagoya[Iwasaki08]ylos prototiposconreceptoresbasadosenarraysconsensoresCMOSrealizadosenla CAPÍTULO2:ESTADODELARTE 26 UniversidaddeKeio[Matsumoto08].Tambiénenelcontinenteasiáticosondignosde menciónlostrabajossobreredesdeárealocalrealizadosenlaUniversidaddeHong Kong(China)[Haigh12],ylosdemostradoresrealizadosenlaUniversidadYonsei (Corea)[An09].  Figura2‐12.PrototiporealizadoporlaUniversidaddeNagoya[Iwasaki08]. Elgraninterésquehageneradoestatecnologíaestal,queyaexistenvariasde lasgrandesempresasdelmercadodelastelecomunicacionesqueestánapostandopor estetipodesistemas.UnclaroejemplodeestosonelprototipopresentadoporCasio quepermitelacomunicaciónentresmartphones[Casio12],lossistemasdeguiadoyde pagoseguroenmarcadosdentrodelatecnologíaNFC(NearFieldCommunications) desarrolladosporSamsung[Samsung],osencillamentelasredesdedatosdeárealocal conunmuyelevadoniveldeseguridadofrecidasporLVXSystems[LVX]. FueradelasaplicacionessobreVLC,ymásdedicadoalossistemasOCDMA,hay quedestacarelgrupodeinvestigacióndirigidoporJawadSalehienlaUniversidadde Sharif(Irán).Sibiensustrabajosinicialesestabandestinadosasistemasenfibraóptica, enlosúltimosañoshanexploradoelusodecódigosOOCparaimplementarredesde datosinalámbricaseninteriores.EstudioscomolosrealizadosporGhaffarietal.han sidopartedelamotivacióndeestatesis[Ghaffari08][Ghaffari09].     27   Capítulo3: Técnicasdesaltoenel tiempoaplicadasalcanalópticono guiado   3.1. Arquitecturadelsistema Laseguridadadicionalqueintroducenlossistemasdecomunicacionesópticas noguiadosesunodelosfactoresquehafomentadoelinterésporestatecnologíapara implementarredesdedatososensoreseninteriores.Inicialmente,lamayoríadelos desarrollosempleabanradiacióninfrarroja,peroconlaaparicióndelossistemasVLC muchosdeestostrabajoshansidoextrapoladosalespectrovisible[Bouchet10] [Guerra‐Medina11][Rufo11].Enamboscasosesnecesariodotaralsistemadeun mecanismodegestióndeaccesoalmedioparaevitarinterferenciasproducidaspor otrosusuarios,siendolastécnicasdemultiplexaciónpordivisióndecódigolasque ofrecenunamayorversatilidadalahoradeimplementarestetipodesistemas. Adicionalmente,diferentesestudioshandemostradoquesuusodisminuyelacantidad depaquetesdecontroltransmitidos,colisiones,retransmisionesoescuchasrequeridas delcanal,queensuconjuntosetraducenenunadiminucióndelconsumodelancho debandadelsistemay,porende,unaumentodelthroughputefectivodelsistema [Romer04][Demirkol06]. Porlapropianaturalezadelaluz,elusodecomunicacionesópticasnoguiadas permitelaimplementaciónderedescelularesdentrodecadahabitación,sinembargo, esnecesarialainstalacióndeunaredtroncalobackboneparalograrlaconectividad entrelasdiferentessalas,siendoWiFi,PLCyEthernetlassolucionesmáscomunes.La opcióninalámbricaesunatecnologíamuyinteresanteyaquenoesnecesariocrear unanuevainstalaciónylosdispositivosestánaccesiblesenelmercadoaunreducido coste,sinembargo,suusoestálimitadoaentornosdondenoexistaunaelevada saturacióndelespectronirestriccionesdeemisiónEM.EncuantoalossistemasPLC,a pesardeque,aligualquelaanterior,tampocorequierecrearunanuevainstalación, lassobrecargasyalteracionesdelamismaafectandeformadrásticaal funcionamientodelaconexión[Ouzzif07]. CAPÍTULO3:TÉCNICASDESALTOENELTIEMPOAPLICADASALCANALÓPTICONOGUIADO 28  Figura3‐1.Ejemplodearquitecturadelsistema.Secomponedepuntosdeacceso,unared debackboneylosdispositivosmóviles. Dentrodecadahabitacióndebeexistirunpuntodeacceso,cuyafunción principalesactuarcomopuenteentrelaredcableadaylaóptica.Enestetrabajose proponequeestedispositivonosólotransmitaalcanalópticolosdatosdebajaday decodifiquelosdesubida,sinoqueademásemitaunpilotodereferenciaquepermita implementarunredOCDMAsíncrona.Grineretal.yahandemostradolasbuenas prestacionesdeestetipodesistemas,inclusolograndotransmisionesortogonalescon códigosHadamardentécnicasdesecuenciadirecta[Griner06].Sinembargo,endicho sistemaúnicamenteseanalizaelcanaldebajada,dondetodaslastransmisionesdesde elpuntodeaccesopuedenserfácilmentesincronizadas.Lafigura3‐2muestrael diagramadebloquesdedichonododeacceso.  Figura3‐2.Diagramadebloquesdelnododeacceso. CAPÍTULO3:TÉCNICASDESALTOENELTIEMPOAPLICADASALCANALÓPTICONOGUIADO 29 Latopologíadeldispositivomóvilposeeunaestructuramuysimilar,aunque difiereenelcomportamientodelsistemadesincronismoyenlatecnologíaempleada paraconectarelinterfazópticoconelPCosmartphoneenelcasodeunareddedatos, oconelsensor/actuadorsisedeseaimplementarunareddesensores.  3.2. Técnicasdecodificaciónensistemasdesaltoeneltiempo Sibienlastécnicasdesaltoeneltiemponohanllegadoaconsolidarsedentro delossistemasderadiofrecuencia,laausenciademáscarasdepotenciadeemisiónen eldominioópticosimplificaenormementeeldiseñodelsistema.Además,estatécnica poseeunascaracterísticasdiferenciadorasfrenteasushomólogasquelaconviertenen unasoluciónmuyinteresanteparadesarrollarsistemasdecomunicacionesópticasno guiadas.Enprimerlugar,destacalaposibilidadderealizarunaimplementación complementedigital,locualpermitelaintegraciónendispositivosprogramablescomo FPGAoCPLD(ComplexProgrammableLogicDevice),ylograrunoscostesdecircuitería inferioresalosdelossistemasdesaltoenfrecuencia,dondetambiénserequieren DDS,osciladoresdealtaprecisiónymezcladores.Porotrolado,yquizásmás importante,estástécnicaspermitenreducirelconsumodelmódulotransmisor,ypor endeaumentarlaautonomíadeldispositivomóvil.Estehechoesdebidoaquetanto losledscomolosdiodosláser,secaracterizanporsercapacesdesoportarmayores corrientesanteseñalesexcitadoraspulsadas,comosonlasdelastécnicasdesaltoen eltiempo.Amododeejemplo,elledSFH4200deOsramescapazdeemitiruna intensidadradianteinstantáneahasta9vecessuperiorconsumiendounapotencia eléctrica200vecesmenor[Osram]. LastécnicasdesaltoeneltiemposecaracterizanpordividirelsímboloenL slots,tambiénconocidoscomochips6,deformaqueelgeneradordecódigo pseudoaleatorioseleccioneencuáldeellossetransmitelainformación.Dentrode cadaslotsepuedenemplearmultituddecodificaciones.Lasoluciónmássencillaparte porusarunamodulaciónOOK,generándoseunacodificaciónTHSS‐OOK,dondesu representacióneneldominiodeltiempoparaelk‐ésimousuariovienedadaporla siguienteexpresión: 󰇛󰇜    Ecuación3‐1 SiendoTSeltiempodesímbolo,TCeltiempodechip,cjunenteroespecificado porlasecuenciadecódigopseudoaleatoriayajeldatoatransmitir.Sibienestatécnica decodificaciónsecaracterizaporposeerunabuenaeficienciaespectral,laversión  6Deaquíenadelanteseemplearánambostérminosindistintamente. CAPÍTULO3:TÉCNICASDESALTOENELTIEMPOAPLICADASALCANALÓPTICONOGUIADO 30 basadaen2PPMesbastantemásutilizada,debidonosóloaqueposeemejores prestacionesanteruidoblancogaussianoyaditivo(AWGN‐AdditiveWhiteGaussian Noise),sinotambiénporquesimplificalatareadesincronizaciónenelreceptor.Su ecuacióneneldominiodeltiemposiguelasiguienteexpresión: 󰇛󰇜    Ecuación3‐2 Dondeindicaeldesplazamientoqueintroducelamodulación2PPM,es decir,sieldatoesun"cero"elpulsoqueríacolocadoenlaprimerapartedelslot, mientrasquesiesun"uno"sedesplazaríaalasegundaparte.Adiferenciadelos sistemasIR‐UWB,enlosqueexisteunvaloróptimoparacadatipodemonopulsoque mejoralarespuestadelsistemaanteinterferenciamultiusuario[Win97],eneldominio ópticoεtendráunvalorfijoeigualalamitaddeltiempodechip. Independientementedeltipodecodificaciónqueseempleeencadaslot,el mismosímbolopuedetransmitirseNSvecesintroduciendounagananciaadicionalal enlaceacostadereducirlaeficienciaespectraldelacodificación.  Figura3‐3.RepresentacióneneldominiodeltiempodeunaseñalTH‐2PPM(NS=2).Además, sepresentan2ampliacionessucesivasdelsímbolo.Todaslasamplitudesestán normalizadas. Considerandoestasituación,laseñalTHSS‐2PPMtransmitidaporelusuariok‐ ésimoeneldominiodeltiempoquedaríadelasiguientemanera: CAPÍTULO3:TÉCNICASDESALTOENELTIEMPOAPLICADASALCANALÓPTICONOGUIADO 31 󰇛󰇜, 2     Ecuación3‐3 Laformamássencilladegenerarestasseñalessebasaenrealizarlaoperación andentrelosdatoscodificadosen2PPM,yunasecuenciadecódigoencargadade determinarenquéslotdelsímboloserealizalatransmisión.Estaúltimaseobtiene serializandolasalidadeundecodificador,alcualseleintroduceelestadodel generadorpseudoaleatorio.Hayquetenerencuentaque,adiferenciadelossistemas IR‐UWB,elesquemadelcodificadorencomunicacionesópticasnohaceusodeun bloquedeconformacióndepulsos.  Figura3‐4.Diagramadebloquesdeltransmisor. Pararealizarladeteccióndeestasseñales,tantoenlossistemasIR‐UWBcomo enlosópticos,comúnmenteseempleantopologíasbasadasencorrelador,dondese comparalaseñalrecibidaconunaréplicaexactageneradaenelreceptor[Scholtz93] [Salehi89].Conelfindeminimizarcostesyaumentarlaflexibilidaddelsistema, Newaskacetal.propusieronen2002undetectorcompletamentedigitalbasadoenun conversoranalógico‐digitalyunDSP(DigitalSignalProcessor)paracalcularla correlación[Newaskac02].Sinembargo,elgrananchodebandadelasseñalesdesalto eneltiemporequierefrecuenciasdemuestreomuyelevadas,haciendoprohibitivos loscostesdeestetipodecomponentes.  Figura3‐5.Detecciónbasadaencorrelador. ParaelcasoparticulardelossistemasTH‐OOKexistenotrastopologías,como lasbasadasendetectoresdeniveldechip,quetambiénbuscanreducirelcostedel detectoreliminandoelmultiplicador[Shalaby98].Laideaconsisteensustituirla C APÍTULO 3:  T ÉCNICASDESALTOENELTIEMPOAPLICADASALCANALÓPTICONOGUIADO  32 integraciónaniveldesímbolodeTHporunaaniveldechip,empleandolaréplicadela señaldecódigogeneradaenelreceptorparamuestrearlaseñalenelmomento oportuno.Estatopologíanosóloreduceelcostedelsistema,sinoquetambiénmejora larespuestaanteinterferenciamultiusuario[Salehi89]. EncuantoalossistemasbasadosencodificacionesTH‐2PPM,enestatesisse proponeunatopologíabasadaendetectoresdeniveldechip,enlaqueesnecesario utilizarunconversoranalógico‐digitalquemuestreealamitaddelatiempodechip,o bienunsencillodispositivodemuestreoyretención,conelquesepuedancomparar losnivelesdeenergíadecadaunodelossubslots.Apesardequeestaúltimaopción nointroduceruidodecuantificaciónylacaídadetensiónconeltiempoesfácilmente modelable,estoscomponentesnosonmuydemandadosenelmercado, especialmenteaaltasfrecuencias,porloqueestaopciónhaquedadodescartada.  Figura3‐6.DetecciónbasadaendetectordeniveldechipyDAC. Existenvariostrabajosqueanalizanlasprobabilidadesdeerrorendetectores desistemasbasadostantoentécnicasdesaltoentiempo[Forouzan02][Yashima03], comoencódigosOOC[Salehi89][Kumar04].Lamayoríadeestossistemasempleanla fibraópticacomomediodetransmisión,dondelasbuenasprestacionesdelmedio permitenquelosenlacesquedenlimitadosporelruidoshot.Sinembargo,las reflexionesylagrancantidaddeinterferenciaslumínicasexistentesenelcanalóptico noguiado,hacenqueestossistemasesténlimitadosporruidodebackground,quesi biengeneranruidocondistribucióndePoisson,comúnmenteesmodeladocomoruido blancogaussianoyaditivoalconsiderarelteoremacentraldellímite.Paraelcaso particulardelossistemasTHSS‐2PPM,laprobabilidaddeerrorvienedeterminadapor:   󰇭2    󰇮√4∙∙Ecuación3‐4 DondeE B correspondealaenergíadebityN 0 aladensidadespectralde potenciadelruido.Larelaciónseñalaruidosepuedeestimarporlasiguiente ecuación: CAPÍTULO3:TÉCNICASDESALTOENELTIEMPOAPLICADASALCANALÓPTICONOGUIADO 33  ∙  ∙ 4 2  2∆ 12 Ecuación3‐5 SiendoRlaresponsividaddelfotodiodo,eslapotenciamediatransmitiday Hlaatenuacióndebidaalcanal,eláreadelfotodiodoyelgradodeapuntamiento entretransmisoryreceptor.Enloquerespectaalasfuentesderuido,sehan considerado:elruidotérmico,lacorrientedeoscuridad,elruidoshotylacorrientede background,elgeneradoporlacadenadeamplificaciónyfinalmenteelruidode cuantificaciónintroducidoporDAC(Δ representaeltamañodelescalónde cuantificación).  3.3. Respuestadelsistemaanteelfenómenode multipropagación ApesardelasaltasprestacionesdelacodificaciónTH‐2PPManteelruido blancogaussianoyaditivo,estatécnicanoposeeunabuenarespuestaanteel fenómenodemultipropagación.Enelcasodetransmitirun"uno",laenergíareflejada únicamenteafectarádeformadañinaalsiguienteslotsienéltambiénsetransmite otro"uno".Considerandosincronizaciónaniveldeslot,laprobabilidaddequeesto ocurravienedeterminadapor:  _  _  2Ecuación3‐6 DondeLeselnúmerodeslotsdecadasímboloTH,yNueslacantidadde usuariospresentesenelsistema.Sinembargo,sisetransmiteun"cero",laenergía reflejadaafectaráexclusivamentealpropiosímbolo,aumentandolaprobabilidadde errordelsistema. Parasolucionaresteproblema,enestetrabajoseproponedividircadachipen dossubslots,deformaquetodoslosprimerossetransmitanenlaprimerapartedel símbolo,mientrasquetodoslossegundossubslotsseenvíenenlasegundaparte.Esta modificaciónnogeneraningúnincrementodelanchodebandarequeridoporel sistema,yaquedentrodecadanuevosubslotseempleaunacodificaciónOOK.La señalgeneradaporlacodificaciónTHSS‐2PPMmodificadaparaelk‐ésimousuario vienedeterminadaporlasiguienteexpresión: 󰇛󰇜    Ecuación3‐7 CAPÍTULO3:TÉCNICASDESALTOENELTIEMPOAPLICADASALCANALÓPTICONOGUIADO 34 DondeTsyTscsoneltiempodesímboloyeldesubchip(Tc/2),cjesunentero determinadoporelcódigopseudoaleatorioyajeseldatoatransmitir.Enlasiguiente figurasemuestraunsímbolodelacodificaciónpropuestaeneldominiodeltiempo.  Figura3‐7.SímboloTH‐2PPMmodificado.(a)Estructuradelsímbolo.(b)Señaltransmitida cuandoeldatoses"0"(aj=0)y(c)laseñaltransmitidacuandoaj=1.Enamboscasosseha consideradocj=3yL=64. Conelfindeestudiarlaprobabilidaddeerrordelsistema,sehanrealizado simulacionesenMATLABR2010empleandouncódigoMLSdelongitud64(aunque estonorepercuteenelestudiorealizadoenesteapartado)yNS=1,esdecir, transmitiendounúnicopulsoporcadaunodelos107bitsdedatosgeneradosencada simulación.Porsuparte,losdetectoresdelostressistemasbajoestudio(TH‐OOK,TH‐ 2PPMyTH‐2PPMmodificada)empleantopologíasbasadasencorrelador.Esta configuraciónsehaempleadoentodaslassimulacionesrealizadasenestecapítulo. Lafigura3‐8muestralaprobabilidaddeerrordelastrescodificacionesbajo estudioenpresenciaderuidoblancogaussianoaditivo,dondeseobservaclaramente quelossistemasbasadosen2PPMposeenlamismarespuestayademásgeneranla mismaprobabilidaddeerrorqueelesquemabasadoenOOKparavaloresdeSNR6dB inferiores.  C APÍTULO 3:  T ÉCNICASDESALTOENELTIEMPOAPLICADASALCANALÓPTICONOGUIADO  41 basadosenPPM.Estoesdebidoaquelafuenteinterferente,alserdefrecuenciamuy inferioraladechip,semantieneaproximadamenteconstanteentodoelsímbolosin afectaralacomparaciónrelativadelosdosnivelesdechip.Sinembargo,enlas simulacionesnosehaconsideradolaposiblesaturaciónnidelfotodiodonidela cadenadeamplificación,porloqueenunaimplementaciónrealelsistemasíquese podríaverafectado.Paramitigaresteproblemaseríanecesario,bienevitarel apuntamientodirectodelreceptorhacialafuenteinterferente,obienemplearfiltros ópticoscuandoseaposible. Adiferenciadelasituaciónanterior,dondelafuenteestáperfectamente caracterizadamatemáticamente,lasfrecuenciasdelosarmónicosdelosfluorescentes debalastroelectrónicodependendecadafabricante,porloqueparasimularsu repercusiónsobrelasprestacionesdelsistemasehaestimadonecesariomedirla respuestaespectraldeundispositivocomercial,enconcreto,elMasterTL‐DdePhilips. Enlafigura3‐15sepuedeapreciarqueestedispositivosecaracterizaporposeerel armónicofundamentalen93KHz.Parasumodeladomatemático,porrazonesde simplicidadsehanconsideradoúnicamentedossenosconunarelacióndeamplitud entreellosde0,7(3dB)yunniveldecontinua. 󰇛󰇜     0,85   󰇛186󰇜   0,7󰇛372󰇜Ecuación3‐14  Figura3‐15.Respuestaespectralfluorescentedebalastroelectrónico. Nuevamenteanteestetipodeinterferencias,lossistemasbasadosenPPM muestranmuchamejorrespuestaquelossistemasbasadosenOOK,loscualeshan ofrecidounasprestacionesmuyparecidasalanteriorcasodeestudio.Sinembargo, antelongitudesdecódigobastanteelevadas,lacodificaciónTH‐2PPMmodificada CAPÍTULO3:TÉCNICASDESALTOENELTIEMPOAPLICADASALCANALÓPTICONOGUIADO 42 mostrarápeoresresultadosquelaclásica,yaquelacomparaciónentrelosdos detectoresdenivelserealizaenunintervalodeLTc/2s,dandotiempoalaseñal interferenteavariarsuvalorinstantáneo.  3.6. Interferenciamultiusuario Enunsistemadeespectroensanchado,laeleccióndeunafamiliadecódigocon unareducidacorrelacióncruzadaescrucialparapermitirelbuenfuncionamientodel sistema.Dentrodelosposiblescódigosaemplear,familiascomolasKasamiolos Walsh‐Hadamardsecaracterizanporgenerarfirmasbipolaresortogonalesquealser empleadasensistemasdesaltoeneltiempoempeoransusfuncionesdecorrelación cruzada.Demanerasimilar,loscódigosBarkertampocosonapropiadosparaestetipo desistemas,yaquesonsecuenciasmuycortasyconpocacardinalidad.Enestetrabajo sehancomparadolasprestacionesdeloscódigosMLS,GoldyOOC,analizandolas ventajaseinconvenientesensituacionestantosíncronascomoasíncronas.Parallevar acabolassimulaciones,sehahechousodeunaSingleBoardRIOdeNational Instrumentsconlaquesehalogradoreducirconsiderablementeeltiempode simulación.EstedispositivosebasaenunaFPGAyunprocesadorentiemporeal, programadosmedianteLabVIEW,cuyaarquitecturapermiteimplementarmultitudde aplicacionesconunreducidotiempodedesarrollo.Paralarealizacióndelas simulacionessehantransmitido107bitsaleatoriosagrupadosenpaquetesde1.000, introduciendoenelcasoasíncronounretardoaleatorioentrepaqueteypaquete,el cualhasidomodeladomedianteunadistribuciónuniforme. Enlassimulacionesrealizadasconsiderandounaredasíncrona,loscódigosOOC hanmostradounamejorrespuestaquelasfamiliasMLSoGold,ofreciendounatasade errorreducidamientraslacantidaddeusuariosenelsistemaseainferiorala cardinalidaddelcódigo.Porotrolado,apesardequeloscódigosGoldposeen teóricamenteunamejorfuncióndecorrelacióncruzadaquelosMLS,alemplearlosen entornosunipolarescontransmisionesasíncronasaleatoriasnosehaapreciadouna diferenciasignificativadeprestacionesentreellos.Además,enlafigura3‐16sepuede apreciarlapresenciadeunaasíntotahorizontalparavaloresdeSNRsuperioresa‐3dB, pudiéndoseafirmarqueapartirdedichopuntolaprobabilidaddeerrorestádominada porlainterferenciamultiusuarioenvezdeporelruidoblancogaussianoyaditivo. TantoenlostrabajosrealizadosporFarouzanetal.oYashimaetal.sobre sistemasdesaltoeneltiempo[Farouzan02][Yashima03],comoenlosbasadosen familiasOOC[Salehi89](inclusoelpublicadoporGhaffarietal.eneldominio inalámbrico[Ghaffari08]),loscálculosmatemáticospartendelahipótesisdequeel enlaceestálimitadoporruidodeshot.Enestetrabajo,dondesehaconsideradoquela limitacióndelenlaceeselruidodebackground,esposibleextrapolarsinpérdidade generalidadlosestudiosrealizadossobresistemasdesaltoeneltiempoenelcampo CAPÍTULO3:TÉCNICASDESALTOENELTIEMPOAPLICADASALCANALÓPTICONOGUIADO 43 delaradiofrecuencia.Benedettoetal.ensulibrosobreUWBpublicadoen2004 [Benedetto04]presentaunrigurosoanálisisempleandodosmétodoscompletamente diferentes:elprimero,conocidocomoSGA(StandardGaussianAproximation),parte delahipótesisdequeelefectodelasinterferenciasgeneraruidogaussianoaditivo conunadistribuciónespectraluniformeenlaregióndefrecuenciasdeinterés.Este métodoofreceresultadosbastanteoptimistasysuvalidezaumentaalincrementarel númerodeusuariosinterferentes[Win00].Porsuparte,elsegundoanálisissebasaen considerarquelosdatosestánagrupadosenpaquetes,yenestudiarlas probabilidadesdecolisiónentreellos.  Figura3‐16.RespuestadelsistemaTHbasadoencódigosGold,MLSyOOCenunentorno asíncronocon2usuarios(SIR(SignalInterferenceRatio)=0dB). Lograrquetodoslosusuarioscomiencensustransmisionesenelmismo instantedetiempoy,portanto,implementarunsistemasíncrononoesunatarea fácil,yaqueesnecesarioañadircomplejidadaloscodificadoresyaplicartécnicasde cabeceraopilotoqueseabordaránenelsiguientecapítulo.Sinembargo,anteesta situaciónlastresfamiliasdecódigohanofrecidomejoresprestacionesqueelcaso asíncrono,permitiendoinclusocomunicacionesortogonales.Sibienlostresesquemas ofrecenlamismaprobabilidaddeerror,lamenorlongituddecódigoqueposeenlas familiasimplementadassobreregistrosdedesplazamiento,hacenqueéstosseanuna soluciónmásinteresantequelosOOC,especialmenteenaplicacionesconunalto ‐10 ‐8‐6‐4‐2 0 10‐7 10‐6 10‐5 10‐4 10‐3 10‐2 10‐1 100 SNR(dB) BER OOC Gold MLS CAPÍTULO3:TÉCNICASDESALTOENELTIEMPOAPLICADASALCANALÓPTICONOGUIADO 44 tráficodedatoscomolasredesdesensoresmultimedia(WMSN‐WirelessMultimedia SensorNetwork)[Guerrero‐Zapata09]. Laseleccióndeunafamiliadecódigouotravaarepercutirenlacantidadde colisionesquesegeneranentrelosdiferentesusuarios.Sinembargo,laprobabilidad dequeestehechogenereunerrordependerádelarelaciónseñalainterferenciayla cantidaddepulsosporbitdedatostransmitido.Enlafigura3‐17semuestrauna simulacióndeunsistemacon2usuariosquerealizantransmisionesconuncódigode longitud128.Enellasepuedeapreciarcomo,amedidaqueaumentalaSIR,sereduce lacantidaddeerroresquegeneranlascolisiones.  Figura3‐17.EvolucióndelatasadeerroralvariarlaSIRpara1usuariointerferente. Enelescenariosupuestoenestetrabajo,dondeelpuntodeaccesose encuentralocalizadoenelcentrodeltechodelahabitación,ladiferenciamáximade atenuaciónquepuedeexistirentredispositivos,teniendoencuentaúnicamenteel rayodirecto,asciendea6dB.Parallegaraestaconclusiónsehaconsideradoqueel dispositivomáscercanoseencuentrasobreunamesajustodebajodelpuntode acceso,mientrasqueelmásalejadoseencuentraenunaesquinainferiordela habitación. Algunosinvestigadoreshanexploradoydemostradolamejoradeprestaciones queintroduceelusodealgoritmosdecontroldepotenciaensistemasópticos inalámbricos[Amnizaded‐Gohari06][Khazraei07].Enambostrabajossehan consideradoredesbasadasentécnicasdeaccesoalmediopordivisióndecódigo,en ‐9‐8‐7‐6‐5‐4‐3‐2‐1 10 ‐6 10 ‐5 10 ‐4 10 ‐3 10 ‐2 10 ‐1 SNR(dB) BER SIR=0dB SIR=3dB SIR=6dB SIR=9dB CAPÍTULO3:TÉCNICASDESALTOENELTIEMPOAPLICADASALCANALÓPTICONOGUIADO 45 lasquedebidoalfenómenodenear‐far,lasprestacionesdeusuariosalejadosseven penalizadasacausadelasaltaspotenciasgeneradasporusuarioscercanosalreceptor. Dichosalgoritmossebasanencalcularlarespuestaalimpulsodelcanaldebajadapara estimarlaatenuacióndelmismo,siendonecesarioincrementarlacomplejidadal sistema.Sinembargo,enelesquemasíncronopropuestoenestetrabajo,elusode estosalgoritmoscarecedesentidopuestoquelaprobabilidaddecolisiónentre usuariosesteóricamentenula.  3.7. Conclusionessobrelossistemasdesaltoeneltiempopara sistemasdecomunicacionesópticasnoguiados Lafaltaderegulacionesdeemisiónenlosentornosópticosnoguiadoshacen delastécnicasdelsaltoeneltiempounasoluciónmuyinteresanteparaimplementar sistemasdebajocosteyreducidoconsumo.Dentrodecadaslotsepuedenutilizar codificacionescomolaOOKdebidoasusimplicidadybuenaeficienciaespectral,o esquemasPPM,capacesdemejorarlarespuestatantoanteAWGN,comoante interferenciadebandaestrecha,ademásdefacilitarlatareadesincronizacióndel receptor.EnestetrabajosehapropuestounaversiónmodificadadelastécnicasTH‐ 2PPM,quelogramejorarconsiderablementesusprestacionesanteelfenómenode multipropagaciónsinañadircomplejidadadicionalalsistemanirequerirmayorancho debanda. Antelapresenciademultituddeusuariosenelsistema,laseleccióndeuna familiadecódigosconbuenaspropiedadesdecorrelacióncruzadavaapermitir minimizarlasinterferenciasgeneradasentreellos.ApesardequeloscódigosOOC presentancomoinconvenientesprincipalesunabajacardinalidadyunalimitaciónen laseguridaddelosenlacesdebidoalaconstantetransmisióndelamismafirma,sonla familiaquemejoresprestacioneshanmostradoantecomunicacionesasíncronas.Sin embargo,antesistemassíncronos,loscódigosgeneradosapartirderegistrosde desplazamientosepresentacomounasoluciónmásinteresante,yaqueofrecenlas mismasprestacionesypermitenlaimplementacióndecodificacionesTHconuna mayoreficienciaespectral.Paralograrlacorrectasincronizacióndetodoslosusuarios, tantoenelinstantedecomienzodelossímboloscomoenelmomentoenelque empleansuestadoinicial,esnecesarioincrementarlacomplejidaddelsistemao desperdiciarpotenciaenlatransmisióndeunpilotodereferencia.Enelcapítulo4se exponeunaposiblesoluciónenlaquesehanconsideradocomoobjetivosprincipales deldiseñolaminimizacióndelacomplejidadyelconsumodepotenciadelsistema. CAPÍTULO3:TÉCNICASDESALTOENELTIEMPOAPLICADASALCANALÓPTICONOGUIADO 46   47    Capítulo4: Esquemadesincronismoe implementacióndelsistema   4.1. Introducción Lastécnicasdeespectroensanchadoofrecenunascaracterísticasquelashacen muyadecuadasparaciertosentornosdeaplicacióndesistemasdecomunicaciones ópticasnoguiadas.Sinembargo,paralograrelbuenfuncionamientodelsistemaes necesariointroducirenelreceptoretapasdesincronización,quenosólologren compensarposiblesderivasderelojentreeltransmisoryelreceptor,sinoademás consiganqueambosgeneradoresdecódigoesténentodomomentoenelmismo estado. Multituddeinvestigadoreshanrealizadopropuestasdestinadasareducirla complejidaddeestebloque,lascualessepuedenagruparentrelasqueemplean pilotos,esdecirseñalesdereferenciaquesetransmitenjuntoconlaseñalcodificada [Hoctor02],ylasquesebasanenlaconcatenacióndeunacabeceradeentrenamiento alprincipiodelpaquete(compuestaporlasecuenciaconocidadeMpulsosque permitamantenerlasincronizacióndurantetodoelpaquete)[Yang03b].Apesarde quelasprimeraslogranimplementacionesmuysencillasdelreceptor,lastécnicas basadasenpilotopuedenllegarareduciralamitaddelacapacidaddecanaly aumentarconsiderablementeelconsumodepotenciadelsistema. Unadelasaportacionesdeestetrabajoconsisteendiseñarunasolución basadaenlatransmisióndeunpilotooptimizadotantoenconsumo(yaquela potenciaempleadaseríalamismaquelaqueconsumiríaunusuarioadicionalenel sistema),comoenanchodebanda,debidoaquenorequierelatransmisiónde cabecerasinicialesnisedisminuyeelnúmerodeusuariosenelsistema.  CAPÍTULO4:ESQUEMADESINCRONISMOEIMPLEMENTACIÓNDELSISTEMA 48 4.2. Descripcióndelpilotodesincronismo Enelcapítuloanteriorsedemostróque,sibienantetransmisionesasíncronas loscódigosOOCofrecenunamenorprobabilidaddeerroranteinterferencia multiusuarioquelasfamiliasGoldoMLS,enelcasodetenertransmisionessíncronas lastresfamiliasdecódigopermitencomunicacionesortogonales. Loscódigosgeneradosapartirderegistrosdedesplazamiento,comolosMLSo losGold,secaracterizanporposeerunamenorlongitudqueladelosOOC.Estehecho hacequeestasfamiliaspermitanimplementarsistemasconmayoreficienciaespectral paralamismacantidaddeusuarios,oloqueeslomismo,queanteunalimitacióndela máximafrecuenciadetrabajopermitanmayorestasasdetransmisiónporcada usuario.Porotrolado,alrealizarelhistogramadelosestadosquerecorrenlos generadoresdecódigobasadosenregistrosdedesplazamientosehaobservadoque, independientementedelasrealimentacionesylosestadosinicialesempleados,enlos códigosMLSelestado"0"nuncaseutiliza.  Figura4‐1.HistogramadelosestadosutilizadosporuncódigoMLSyunGolddeperiodo31. Enestatesisseproponeaprovecharestacaracterísticaparaintroducirunpiloto desincronismoquesimplifiquelosreceptoresdeTH.Ademásdelasventajas mencionadas,estatopologíaeliminalaposibilidaddequedichaseñalinterfieraal sistemadeespectroensanchado,adiferenciadecomopodríaocurrirenotras propuestasrealizadasparaesquemasdesecuenciadirecta[Rabadán00]. Elfuncionamientodelpilotosebasaentransmitirconstantementeunpulsoen laprimerapartedelslotcero,generandounaseñalperiódicaqueseráutilizadaporlos otrosdispositivosnosóloparagenerarlasreferenciastemporalesnecesariaspara realizarladetección,sinotambiénparadeterminarcuándodebenempezara transmitirsusímboloenelcanalderetorno.Además,paralograrelsincronismodelos generadorespseudoaleatorios,elnodomaestrotambiéntransmitiráunpulsoenla segundapartedelslot0,conocidocomoreset,cadavezquefinaliceunciclodesu 0 5 10 15 20 25 30 35 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 HistogramaelementosMLSdeperiodo31 0 5 10 15 20 25 30 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 HistogramaelementosGOLDdeperiodo31 C APÍTULO 4:  E SQUEMADESINCRONISMOEIMPLEMENTACIÓNDELSISTEMA  49 generador.Apesardequeenesteúltimocasosegeneran2pulsosenunúnico símboloTH,sepuedeafirmarquesuconsumodepotenciaesequivalentealdeun sistemaenelqueexisteunusuarioadicional.Enlafigura4‐2semuestrauna representacióneneldominiotemporaldelaseñalTHtransmitidacombinadaconel piloto.  Figura4‐2.RepresentacióntemporaldetressímbolosdeTHcombinadoconlasseñalesdel pilotodesincronismo. Lafigura4‐3presentaladistribuciónespectraldelaseñalTH‐2PPMmodificada conunafrecuenciadechipde32MHzyungeneradordecódigodelongitud128. Además,sehaañadidoladensidadespectraldepotenciadedossistemas:unocondos usuariosyotroconunúnicousuarioylapresenciadelpilotodereferencia.Endicha representaciónsepuedeobservarqueelusodelpilotodiseñadonomodificala distribuciónespectraldelaseñalTH.Además,esteesquemamuestraprácticamente idénticosvaloresalosquepresentaunsistemacon2usuariossinlaexistenciadel pilotodesincronismo. Ladeteccióndelpilotodereferenciasebasaenrealizardosprocesos secuenciales:laadquisición,enelcualsemonitorizalaseñalrecibidaenbuscadeun patrónperiódico,yeltracking,queseejecutaalfinalizarelanteriorylograajustar pequeñasderivasentreelrelojdeltransmisoryeldelreceptor.Parala implementacióndelprimerodelosprocesosseempleauncontadorcircularconun CAPÍTULO4:ESQUEMADESINCRONISMOEIMPLEMENTACIÓNDELSISTEMA 50 valormáximode2∙L∙R,dondeLeslalongituddelcódigopseudoaleatorioempleadoyR eslarelaciónqueexisteentrelafrecuenciademuestreoyladesubslot,yuna estructuradedatosenlaquecadaelementocontiene4registros:  Índice:esdetiponuméricoyalmacenaráelvalordelcontadorenelinstante enquesedetecteunflancodesubida.  Contadordepulsos:estambiéndetiponuméricoyalmacenalacantidadde ciclosconsecutivosenlosqueseharecibidounpulsoenelslotalmacenado enlavariableíndice.  Actualizadoenelcicloactual:esunbooleanoqueespecificasieste elementodelaestructurahasidomodificadoenelcicloactual.  Enuso:determinasiesteelementodelaestructuraestásiendoutilizadoo no.  Figura4‐3.DensidadespectraldepotenciadeunsistemaqueempleacodificaciónTH‐2PPM modificadayelpilotodereferenciapropuesto. Lalongituddelaestructuradedatosdebedesertal,queenningúncasose encuentrecompletamentellenaalallegadadeunnuevopulsonoregistrado.Para lograrlosedebedecumplirque: 22 Ecuación4‐1 050 100 150 200 250 ‐135 ‐130 ‐125 ‐120 ‐115 ‐110 ‐105 ‐100 ‐95 ‐90 Frecuencia(MHz) Densidadespectraldepotencia(dBW / Hz) Unusuariosinpiloto Unusuarioconpiloto Dosusuariossinpiloto CAPÍTULO4:ESQUEMADESINCRONISMOEIMPLEMENTACIÓNDELSISTEMA 57 4.6. Escenariosdeaplicaciónyconsideracionesadicionales Durantelosúltimosaños,elinterésporelusodesistemasdecomunicaciones ópticasnoguiadasparalaimplementaciónderedesdedatosdeáreapersonalolocal, hacrecidoconsiderablemente.Esto,unidoalapublicacióndelestándarVLC,hadado lugaralaaparicióndeunagrancantidaddeaplicacionesyescenariosdiferentes.En estetrabajosehandiferenciado,enfuncióndelascaracterísticasdelflujodedatos, entreredesdesensoresyredesdatosdemedia/altavelocidad.Sibienamboscasos puedenserimplementadosempleandoradiacióninfrarroja,pararealizaresteanálisis sehaconsiderado,sinintroducirningunapérdidadegeneralidadenelestudio,que todoslosescenariosestánbasadosentecnologíaVLC. Lasredesdesensoresdistribuidassonunatecnologíaemergenteencampos tandiversoscomoelhospitalario,elindustrial,laagricultura,ladomóticaola seguridad,entreotros.Entodosellosexistenunagrancantidaddepequeñossensores encargadosdecapturardatosdelmedio,talescomotemperatura,presión, aceleración,composiciónquímica,luminosidad,etc.,ytransmitirlosaunnodocentral demanerainalámbrica.Porrazonesevidentesesindispensablemaximizarla autonomíadeldispositivo,siendonecesarialareduccióndelacantidadde retransmisiones,paquetesdecontrol,escuchasdelcanal,ocomplejosprotocolosde accesoalmedio.Enestesentido,lastécnicasdesaltoeneltiemposonunasolución muyinteresante,nosólodebidoalreducidoconsumodelacadenatransmisora, logradograciasalascaracterísticastemporalesdelaseñal,sinoademás,porquesuuso simplificalaimplementacióndelacapaMAC.Enestetipodesistemas,elnodocentral estaríaconectadoaunalámparadeledquetransmiteconstantementeelpilotode sincronismo,formándosedeestemodounaredcentralizadacomolaexpuestaenel apartadoanterior.Elnodosensorseactivaríaúnicamentecuandotuvieraunpaquete pendiente,encuyocaso"escucharía"alcanalenbuscadelpilotodesincronismo,para luegoesperaralaseñaldereset,transmitirsusdatosyfinalmente,volveralestado idledebajoconsumo. Enciertotipodeaplicacionesconunacantidaddenodosrelativamente reducidaycontransmisionesesporádicasdecortaduración,loscódigosOOCofrecen unaventajacompetitivafrentealesquemapropuestoenestatesisencuantoacostes serefiere,yaquealtratarsedecomunicacionesasíncronasnorequierenla monitorizacióndelcanalantesdetransmitiry,portanto,seríaposibleenalgunos casosinclusoeliminarlacadenaderecepcióndelosnodos.Sinembargo,enunaredde datosdealtavelocidadounareddesensoresmultimedia,laelevadalongituddelos códigosOOCpuedellegaraseruninconveniente,convirtiendoalosesquemas basadosenTHconcódigosMLSsincronizadosenunasoluciónmásinteresante. PreviamentealapublicacióndelestándardeVLC,eldiseñodeunsistemade comunicacionesbasadoenradiaciónenelespectrovisiblepodíaserespecíficopara cadaaplicación.Sinembargo,enlaactualidadesnecesarioregirsealas CAPÍTULO4:ESQUEMADESINCRONISMOEIMPLEMENTACIÓNDELSISTEMA 58 recomendacionesdedichodocumentotantoenelnivelfísicocomoenlacapaMAC.El estándarVLCpermiteelusoopcionaldeunaestructuraconocidacomosupertrama.En elcasodeserutilizada,elnodocoordinadorestablecesucomienzoconunabeacon, traselcualexisteunperiododecontenciónenelquelosusuariosaccedenempleando técnicasdeaccesoaleatorio,conosindeteccióndeportadora.Unasoluciónpara evitarlasposiblescolisionesquesepuedangenerarconsistiríaenquelalámpara transmitieraelpilotoeneseperiododetiempo,implementandoelesquema centralizadoyaexpuesto.Estehechonotendríaningunarepercusiónsobreel parpadeodelalámpara,yaqueelvalormediodelsímboloTH‐2PPMmodificadoes constante,yademáspermitiríaeliminarlatransmisióndelpatrónidle,definidoenel estándarparagestionareldimmingdelalámpara.Además,yaquecadausuario tendríaasignadouncódigo,sepodríaeliminarlaregióndeslotsdedicadosdelas supertramasquepuedensolicitarlosdispositivosmóviles.Enestatopologíanosería necesarialautilizacióndefiltrosópticosyaquetodaslastransmisionesserealizarían empleandoTHyelpilotodesincronismoparadeterminarlasreferenciastemporales. Enelcasodequenoseempleelasupertrama,lalámparatransmitirála informaciónutilizandocualquieradelastrescodificacionesquesecontemplanenel estándar.Apesardequelastécnicasdesaltoeneltiempoofrecenunabuena respuestaanteinterferenciadebandaestrecha,comopodríaserconsideradala transmitidaporlalámparaled,paraobtenerunasbuenasprestacionesesnecesario quelafrecuenciadechipseamuchomáselevadaqueladelainterferente [Quintana09].Puestoqueestorequeriríaunosconversoreselectroópticosconunas velocidadesdeconmutaciónmuyelevadas,seproponecomosoluciónlautilizaciónde radiacióninfrarrojaparaimplementacióndelcanaldesubidaylainstalacióndefiltros ópticosparaeliminarelotrocanal.Estasituaciónseríaequivalentealcasodeunared distribuida,enlaquecadausuarioaldeseartransmitirintroduceelpilotoenelcanalsi ésteestávacío,mientrasqueaprovecharíaelexistenteenelcasocontrario.  4.7. Propuestadeimplementacióndelsistema Latopologíacompletamentedigitaltantodeldetector,comodelbloquede adquisiciónytracking,permitenlaimplementacióndetodoelsistemadentrode dispositivosprogramablescomoCPLDoFPGA,locualseconvierteenunaventaja frenteaotrossistemasdeespectroensanchado.Conelfindedemostrarlaviabilidady analizarlasprestacionesdelsistemapropuesto,enestetrabajoseharealizadouna posibleimplementaciónempleandounaSingleBoardRIOdeNationalInstruments haciendousoúnicamentedelaFPGA.Debidoalaselevadasexigenciastemporalesque requierelaimplementacióndelastécnicasdesaltoeneltiempo,hasidoindispensable lautilizacióndeestructurastimed‐loop,lascualespermitenejecutarelcódigoenun solocicloderelojacostadelimitarelusodeciertosbloquesensuinterior. CAPÍTULO4:ESQUEMADESINCRONISMOEIMPLEMENTACIÓNDELSISTEMA 59 Pararealizareldiseñodelsistemasehafijadocomoentornodeaplicaciónuna reddesensoresenlaqueexistencomomáximo25dispositivos.Estableciendoel parámetroP(cantidaddepulsosperiódicosnecesariosparadetectarelpiloto)a20, conuncódigopseudoaleatoriodelongitud32seríasuficienteyaquesepodrían albergarhasta29usuarios.Parasuimplementaciónsehaempleadounregistrode desplazamientode5posicionesconrealimentacionesenelsegundoyelúltimo elemento.Porotrolado,conelfindeañadirmayorrobustezalenlace,sehafijadoque porcadadatosetransmitirán3pulsos,esdecir,NS=3,porloquelaeficienciaespectral individualdelsistemasería:   2∙∙1 2∙1 192Ecuación4‐5 DondeReslatasadebitsdelusuarioyBwelanchodebandanecesario.Ante estaconfiguraciónyconunosconversareselectroópticoscapacesdeconmutara2 MHz,sepuedeafirmarquelatasadedatosindividualdecadausuarioasciendea 10,417Kbps. ParalaimplementacióndeestediseñoessuficienteelusodeunaSpartan‐3A detamañomedio.Sinembargo,elporcentajedeutilizacióndelosrecursosdel dispositivodependedelalongituddelcódigoempleada,yaquealaumentarlonosólo seincrementaeltamañodelaestructuradedatos,sinoquetambiéncrecelalógica necesariaparaadministrarla.  4.8. Conclusionessobreeldiseñodelsistema Enestecapítulosehapresentadoeldiseñodeunpilotodesincronismo específicoparalossistemasbasadosencodificacionesTH‐2PPMmodificada,elcualse caracterizanosóloporposeerbuenrendimientoencuantoaconsumodepotencia,ya quesuusoesequivalentealapresenciadeunúnicousuarioadicional,sinotambién pornoreducirlaeficienciaespectralindividualdelacodificación,nomodificarel espectroyeliminarlaposibilidaddeinterferiralossímbolosdeTHquecontienenla informaciónatransmitir. Elesquemapropuestopermitelaimplementacióndeunaredsíncrona,enla quetodoslossímboloscomienzanenelmismoinstantedetiempo,loquepermite, comosedemostróenelcapítuloanterior,comunicacionesortogonalesentrelos usuarios.Sinembargo,lamayorventajaqueofreceelsistemadesarrolladoenesta tesiseslamejoradelaeficienciaespectralindividualdelacodificaciónrespectoa sistemasmuyextendidoseneldominioópticocomosonlosbasadosencódigosOOC. Trascompararlalongituddeloscódigosnecesariaparaalbergarunacantidad determinadadeusuarios,sehaobservadounamejoraenunfactorde1,5para CAPÍTULO4:ESQUEMADESINCRONISMOEIMPLEMENTACIÓNDELSISTEMA 60 sistemasconpesotres,queademásseincrementaamedidaquecreceeste parámetro.    61   Capítulo5: Casoprácticodeestudio. Accesoainternetenentornoscon restriccioneselectromagnéticas   Durantelosúltimosaños,losusuariosdetransporteaéreodepasajerosestán demandandoserviciosdevalorañadidoque,hastahacepocotiempo,eranexclusivos delasaerolíneasdelujoodenegocios.Entreellosdestacalaposibilidadderealizar conexionesainternetenplenovuelocomosiseencontrasenentierra,conloquese puedeaumentarlaproductividaddelosempleadosenundesplazamientodetrabajo, osimplementeconsultarelcorreoelectrónicoymantenerseconectado[Akl10]. Además,existelaposibilidaddeofrecerserviciosmultimedia,talescomodifusiónde audio,vídeoojuegoscolaborativos,quequedanenmarcadosdentrodeloquese conocecomo In‐flightEntertainment. Laimplementacióndeunsistemainalámbricoparaofrecerestetipode serviciosaportanosólounareduccióndelpesodelcableado,quesetraduciríaenun ahorroenelconsumodelaaeronave,sinotambiénlaposibilidaddealterarla topologíadelaaeronavesinlanecesidaddemodificarelcableadodecadaasiento [Potega98].Durantelosúltimosañosyasehanpropuestoyestudiadomultitudde sistemasbasadosentecnologíaRFcomoUMTS[Debono08],WiFi[Debono09],o inclusosolucionescombinadas[Niebla03]. Sinembargo,elusodedispositivosmóvilesinalámbricosenvuelohagenerado unagrancontroversiadurantelosúltimosaños.Apesardeque2001laFAA(Federal AviationAdministration)recomendóprohibirelusodedispositivosmóvilesenaviones comerciales,sepermitióquelaspropiasaerolíneasdeterminasensieraposiblesuuso mientrasasegurasenlacompatibilidadconlossistemasdenavegación.Evidentemente losintereseseconómicosdelascompañíasaéreasperduraronyprácticamente ningunaaplicólaprohibición.Sibienesciertoqueenlosúltimosdiezañosnoseha producidoningúnaccidenteaéreocausadoporestasinterferenciasEM,síquesehan demostradoerroresesporádicosenciertosinstrumentosdelasaeronaves[Strauss03]. Dehecho,en2009Boeingemitióuncomunicadoenelqueafirmabaquelasemisiones C APÍTULO 5:  C ASOPRÁCTICODEESTUDIO .  A CCESOAINTERNETENENTORNOSCONRESTRICCIONES EM 62 generadasporlossistemasWiFiafectanalossistemasdenavegaciónHoneywell [FlightGlobal11]. Lascomunicacionesópticasnoguiadassonunaalternativalibrede interferenciasqueeliminaríatodaestaproblemática,dehecho,variosinvestigadores yahanpropuestosistemasbasadostantoenradiaciónenespectrovisible [Mizukami11][Park12],comoeninfrarroja[Potega98][Schmitt06][O'Brien08].Estos dosúltimostrabajosestánenmarcadosdentrodelproyectoeuropeoATENAA,que comenzóen2004conelobjetivodelograrcomunicacionesinteravionesyofrecer serviciosdetelecomunicacionesalospasajeros[ATENAA].  5.1. Arquitecturadelsistema Paralograrofertaresteservicioesnecesarialaintegracióndevarios subsistemasindependientes:  Enlacetierra‐avión  Distribuciónenelinteriordelavión  Distribuciónalosusuarios  Figura5‐1.Arquitecturadelsistema. 5.1.1. Enlacetierra‐avión Estebloqueofreceunaconexióndedatosentreelaviónyelproveedorde serviciosdeinternet.Enlaactualidadexistendosposiblessoluciones:radioenlaces terrestresyenlacesvíasatélite.Ambasopcionesestánmuydesarrolladaseintegradas enelmercado,ofreciendotasasdetransmisióndehasta3Mbpsdebajaday300Kbps CAPÍTULO5:CASOPRÁCTICODEESTUDIO.ACCESOAINTERNETENENTORNOSCONRESTRICCIONESEM 63 desubida.Paralaimplementacióndenuestrosistemaesteenlaceselograría contratandoserviciosdeempresascomoInmarsatoRockwell[Inmarsat][Rockwell]. 5.1.2. Distribucióninterior Tradicionalmente,latransmisióndedatosdentrolasaeronavesseharealizado sobrecabledepartrenzadoapantalladoconelfindeevitarlasinterferenciasEMsobre losequiposdenavegación.Sibieninicialmentetodoslosbusesempleabanunúnico par,yaexistenestándarescomoelAFDX(AvionicsFull‐DuplexSwitchedEthernet)que empleanlos4paresdeuncablederedconvencional.Además,sobreestesoporte físicoexistelaposibilidaddeintroducirsistemasPoE(PowerOverEthernet)que incluiríanenestecasoladistribucióndepotenciaalossistemasdeiluminación.Laidea deemplearestatecnologíaenentornosaeronáuticosyaestápatentadaenEEUU, aunquesóloesconsideradaparaofrecersistemascableadoshastalosusuariosyno paraaccederalaslámparasyofrecerunenlaceinalámbrico[Diab10]. OtraopciónmuyinteresantesonlossistemasPLC,loscualessecaracterizan poremplearlareddedistribucióneléctrica,nosóloparaalimentaralosdispositivos, sinotambiénparatransmitirlosdatosdeinformación[Elgezabal10].Trabajoscomoel realizadoporDégardinetal.handemostradobajosimulacionesycumpliendola normativaDO‐160decompatibilidadelectromagnética[DO‐160E],queesposible alcanzarvelocidadesdetransmisióndehasta28Mbps[Degardin10].Sinembargo,a pesardequeexistenestudiosqueafirmanqueestatecnologíanoafectaalossistemas decomunicación[Brown99],noquedamuyclarosiesviablesuimplantaciónen aviónicadebidoalasposiblesinterferenciasquepodríangenerarsobrelossistemasde navegacióndelavión.Porestarazón,yaunqueestaopciónfacilitalaimplantaciónde serviciosdeinternetenvueloenavionesantiguos,enestetrabajosehaoptadoporla soluciónbasadaentecnologíaEthernetcombinadaconPoEparalograrminimizarla instalacióndecableadoadicional. Enestesubsistemasepuedendiferenciardostiposdenodos:elenrutadorque actúacomopuertadeenlaceconelISP(InternetServiceProvider)terrestre,ylasPSU (PassengerServiceUnit),quesonlosmódulosexistentessobrecadaasientoyque contienenelementoscomolaslámparasdelectura,señalesluminosas,tomasdeaire acondicionado,etc.Paralograrlaimplementacióndeestesistemaesnecesario modificarestecomponenteeintroducirunadaptadorderedqueactuécomobridge entrelaredcableadaylainalámbrica,ycomoenrutadorseleccionandolalámparapor laquesetransmitecadapaquete.Lafuncionalidaddetalladadeestedispositivoserá expuestaenelsiguienteapartado.Adicionalmentedebeexistirunmódulodegestión dePoE,elcualnosóloseguiráelestándar802.3af,sinoqueademásdebeadaptarlos nivelesdetensiónofrecidosporelswitch(aproximadamente48V)alos5Vempleados poreladaptadordesarrollado,siendoelNMPD0105CcomercializadoporMurata PowerSolutionInc.unaposiblesolución[Murata].Hayquetenerencuentaqueeste CAPÍTULO5:CASOPRÁCTICODEESTUDIO.ACCESOAINTERNETENENTORNOSCONRESTRICCIONESEM 64 dispositivo,previamenteaserinstaladoenelavión,debepasartodoslostestsy cumplirlanormativaDO‐160decompatibilidadelectromagnéticafijadaporlaRTCA (RadioTechnicalCommissionforAeronautics).  Figura5‐2.DiagramadebloquesdelmóduloPSUmodificado. Apesardequecadaaviónrequiereunaconfiguraciónespecífica,a continuaciónsemuestraamododeejemplounaposibleinstalaciónparaunAirbus A320.Adiferenciadelosentornosdomésticos,dondeexisteninfinidaddeenrutadores yswitchesconPoEincorporado,lasrestriccionesimpuestasporlosorganismos reguladoreshacenqueenelentornoaeronáuticolaofertaseamuchomásreducida. Unaposiblesolucióneslautilizacióndee‐switchesde8puertosfabricadosporICG [ICG],loscualesofrecenunacomunicaciónEthernet100BaseTalavezque implementanelestándar802.3af(PoE)ysonalimentadosconlastensionestípicas existentesenunaaeronave(12‐36VDC).Lainstalaciónpropuestasebasaencrearuna cadenadesdelapartedelanteradelavión,dondeseencontraríalapuertadeenlace conelexterior,ylapartetrasera,deformaquecadaswitchalimentaríaaseisPSU. Paraelcasoconcretodeunaviónconfiguradocon26líneasde6asientosenlaclase turistaharíafaltainstalar8enrutadoresparadarservicioatodoelavión.Enlafigura 5‐3semuestraeldiagramadeconexionadopropuesto. Deigualmaneraquelosdispositivoseléctricos,elcableadoaintroducirenel avióndebeestarreguladoycumpliradicionalmentelanormativaantiincendios.Enla actualidadyaexistenmultituddecompañíasqueofrecencableadoybusespara aviónica,sinembargo,sólounreducidogrupodeproductossoportalatecnologíaPoE. UnaposiblesoluciónpodríaserlautilizacióndecableD100‐0424‐0220fabricadopor EMTEQ[EMTEQ],elcualsecaracterizaporintroducirunaatenuaciónde8,1dBcada 30,48maunafrecuenciade100MHz.Sibienestosvaloressonelevados,lasreducidas distanciasexistentesentreswitchyswitchvanapermitirqueestasatenuacionesno afectenalfuncionamientodelsistema. Busdedatos Otros dispositivos (A/C,señales lumínicas, etc.) Controlador PoE (NMPD0105) Alimentación Alimentación ConectorRJ‐45 Adaptador desarrollado C APÍTULO 5:  C ASOPRÁCTICODEESTUDIO .  A CCESOAINTERNETENENTORNOSCONRESTRICCIONES EM 65  Figura5‐3.InstalaciónpropuestaparaunAirbusA320. 5.1.3. Distribuciónalosusuarios Enestetrabajoseproponeelusodelalámparadelecturadecadapasajero paraofrecerunenlacededatosinalámbrico,demediavelocidadysinlaposibilidadde generarinterferenciasalossistemasdeinstrumentacióndelaaeronave.Además,la recienteaprobacióndelusodelámparasdeestadosólidocomosistemade iluminaciónenavionescomoelAirbusA380,ofrecelaposibilidaddeutilizartecnología VLC,reduciendoconsiderablementeloscostesdeinstalación.Elhechodeemplearla lámparadelecturacomodispositivodetransmisióncontrastacontrabajoscomoelde Dimitrovetal.oMarinosetal.,dondeseproponelaimplantaciónderedescelulares enIRjuntoconlautilizacióndetécnicasOFDM[Dimitrov09][Marinos10].Enambos trabajosloscostesdeimplementaciónsonmuysuperioresalosrequeridosporla topologíapropuestaenestatesis.  Figura5‐4.Enlacefinaldeusuario. C APÍTULO 5:  C ASOPRÁCTICODEESTUDIO .  A CCESOAINTERNETENENTORNOSCONRESTRICCIONES EM 66 Laarquitecturapropuestaparaestareddedistribucióninteriorseespecificaen lafigura5‐5ycomprende:  Unsistemaadaptadorderedparalalámparadelpasajero,querecogela señaldeunenlaceEthernet(oPLC)yconviertelospulsoseléctricosen señalesópticas.Lalámparaensísedotaconuncircuitomoduladorparala señaldedatosydeformaanexaseincluyeunreceptorparaelcanalIRde retorno.Además,estedispositivodebeactuarcomoenrutadorpara seleccionarporquélámparasedebetransmitircadapaquete.Paraellose proponemonitorizarelcampoMACdelospaquetesrecibidosdelinterfaz Ethernetycrearunasencillatabladeenrutamiento.  Uncircuitoadaptadorparaelordenador(odispositivodedatos,podríaser untabletounsmartphone)consalidaUSBoconexiónalatarjetadereddel dispositivo.Incluyeunreceptoróptico(fotodiodoPIN)yunemisorinfrarrojo paraelcanalderetorno[Perez‐Jimenez11].  Figura5‐5.Arquitecturadelenlacefinalalosusuarios.  5.2. Cálculodelaszonasdecoberturadelenlaceóptico Sibien,laslámparasdelecturaestándiseñadasparagenerarsuspotde iluminaciónúnicamentesobreelusuariodeinterés,existelaposibilidadquese genereninterferenciassobrelosusuariosadyacentes,yaseaporfaltadedirectividad CAPÍTULO5:CASOPRÁCTICODEESTUDIO.ACCESOAINTERNETENENTORNOSCONRESTRICCIONESEM 73  Figura5‐11.Diagramadelbloquesdelprototipoimplementado.  Figura5‐12.Estructuradelpaquete. Enloquerespectaalasconversioneselectroópticas,elcanaldebajadasebasa enunalámparadeledsfosforescentesqueseexcitanconpulsosde200nsdeancho utilizandoundriverdelíneaconsalidaencolectorabierto,enconcretoelSN75452de TexasInstruments.Porsuparte,ladetecciónselograempleandofotodiodosPIN, caracterizadosportenerunanchodebandadehasta15MHz,unáreaactivade66 mm2yunaresponsividadde0,45A/Wa660nm.Lafotocorrientegeneradapasaa travésdeuncircuitodebootstrap,cuyoobjetivoesmejorarlarespuestaenfrecuencia delfotodiodo,paraposteriormenteserpreamplificadausandounaconfiguraciónde transimpedancia.Enlafigura5‐13semuestralatopologíaempleada. Elenlacedesubidapermiteunaconexiónde2Mbpsempleandoradiación infrarroja.Pararealizarlaemisiónsehanutilizado3ledsSFH4200deOsram conectadosconunatopologíasimilaraladelenlacedevisible.Además,conelobjetivo deaumentarlaautonomíadelabateríadelusuariosehadesarrolladouna modificacióndelacodificaciónCR‐DPPM,lacualsecaracterizaporpararlatransmisión depulsosentrepaqueteypaqueteEthernet.Paraqueeldetectornopierdaelprimer bytededatosacausadelafaltadelareferenciatemporal,sehaañadidounpulso previoalpaquetedeinformación[Quintana11]. Lafigura5‐14muestraelprototipofinaldiseñadoenelquepuedenapreciarlos conectoresEthernetyUSB,asícomolosledsdeinfrarrojoyelfotodiodoparadetectar lasvariacionesdeintensidaddelalámparadelectura.   C APÍTULO 5:  C ASOPRÁCTICODEESTUDIO .  A CCESOAINTERNETENENTORNOSCONRESTRICCIONES EM 74  Figura5‐13.Topologíadelreceptor.  Figura5‐14.Prototipofinaldeladaptadordelusuario.  CAPÍTULO5:CASOPRÁCTICODEESTUDIO.ACCESOAINTERNETENENTORNOSCONRESTRICCIONESEM 75 5.5. Conclusionessobreelsistema Enestecapítulosemuestraeldesarrollodeunsistemadecomunicaciones ópticasnoguiadas,libredeinterferenciaEM,destinadoaofrecerserviciosdeinternet envuelo.Sehapropuestounanuevatopologíaenlaqueseemplealalámparade lecturaparaofrecerunenlacedebajadaenvisible,mientrasqueelcanalderetornose lograutilizandoradiacióninfrarroja.Sibienenelprimerosepuedeasegurarla directividaddelenlace,enelcanaldesubidaesnecesariointroducirtécnicasdeacceso almedioparamitigarlasinterferenciasentrelosdiferentesusuarios.Lastécnicasde saltoeneltiemposonunasoluciónmuyinteresante,nosólodebidoasureducido consumo,sinotambiénporlabuenarespuestaantemultipropagaciónola interferenciaproducidaporotrasfuentesdeiluminación.  CAPÍTULO5:CASOPRÁCTICODEESTUDIO.ACCESOAINTERNETENENTORNOSCONRESTRICCIONESEM 76   77      Capítulo6: Resultados   Enlosestudiosrealizadosenestatesis,sehademostradoqueloscódigosMLS sincronizadossonunasolucióninteresanteparaimplementarsistemasde comunicacionesópticasnoguiadosbasadosentécnicasdesaltoeneltiempo.Entrelas ventajasqueintroduceesteesquemadecodificacióndestacan:unareduccióndel consumodelacadenatransmisorayunabuenarespuestaanteinterferenciadebanda estrechayelfenómenodemultipropagación.Además,ensituacionessíncronas,los códigosMLSpermitencomunicacionesortogonalesyofrecenunamejoreficiencia espectralindividualqueloscódigosOOC,locualseconvierteenunaventaja competitivaalahoradeimplementarredesdedatosdemedia/altavelocidad. Duranteeldesarrollodeestetrabajosehandiseñadovariosprototiposquehan permitidovalidarelfuncionamientotantodelosbloquescodificadoresy decodificadores,comodelsistemadesincronismobasadoenlatransmisióndeun pilotodereferencia.Porotrolado,enlasegundapartedeestecapítulosepresentala plataformadepruebadesarrollada,asícomolasmedidasópticasyderendimientode laredrealizadassobreelsistemapropuestoparaofrecerserviciosdeentretenimiento envuelo.Además,semuestraunprototipoquedemuestralaviabilidaddelusode técnicasWDMparasistemasVLCyunestudioacercadelusodealgoritmosde encriptaciónparaaumentarlaseguridaddeestatecnología.  6.1. Sistemabasadotécnicasdesaltoeneltiempo Enelcapítulo4deestatesissepresentarondosposiblestopologíasdered sobrelasquesepodríanutilizarlacodificaciónTH‐2PPMmodificadajuntoconelpiloto propuestoenestetrabajo.Enesteapartadosemuestraelcomportamientodeunared distribuida,yaquesegúnelenfoqueseguidoenestapropuesta,lacentralizadaesun casoparticularyestabledelaprimera. C APÍTULO 6:  R ESULTADOS  78 Paralarealizacióndelaspruebassehaconsideradounentornodeaplicación enelqueexisten60nodosdistribuidosaleatoriamenteporunahabitación.Además, paranopenalizarexcesivamenteeltiempodeenganchedelbloquesincronismo,seha fijadoelparámetroP(cantidaddepulsosperiódicosquesedebendetectar consecutivamenteparapoderafirmarquesehaencontradounpilotodereferencia)a valor4.ParacumplirestascondicioneshayquerecurrirauncódigoMLSdelongitud 128,conelcualesposibledarservicioa94usuariosinstantáneamente.Porotrolado, paraañadirrobustezalenlace,sehadecididotransmitir4pulsosporbitdedatos. ComoplataformadedesarrollodelprototiposehautilizadounaSingleBoardde NationalInstruments,lacual,apesardetrabajara40MHz,generapulsosconuna frecuenciadechipde2,5MHz.Eldiseñodellosinterfaceselectroópticosposeenla mismatopologíaquelosempleadosenelcapítuloanterior.Sinembargo,paraadaptar losnivelesdetensiónentrelaSingleBoardyeldriver,yevitarposiblesproblemasde fan‐out,sehaañadidouncircuitoSchmitttriggerentreambosmódulos. DebidoalascaracterísticasaleatoriasdelasseñalesdeTHeneldominio temporal,yconelfindepoderapreciarelcomportamientodelsistemadeformamás clara,enestecasosehaconsideradounasituaciónenlaqueúnicamenteintervienen2 usuarios.Enlafigura6‐1semuestraunescenarioenelqueelusuario2(colorverde) desearealizarunatransmisión.Trasnodetectarningunaseñalperiódicaduranteel tiempodemonitorizacióndelcanal,introduceelpilotoylospulsosdeTH.Untiempo despuéselusuario1(coloramarillo)accedealcanal,yaldetectarlapresenciadel pilotointroducidoporelusuario1,únicamentegeneralospulsosdelTHnecesarios paratransmitirsusdatos.  Figura6‐1.SeñalTHtransmitidaporusuario1(amarillo)y2(verde),asícomolarecibidaen otronodo . C APÍTULO 6:  R ESULTADOS  79 Enelcasodequeelusuario1finalicesutransmisiónlaredsequedaríasinun nodomaestro.Yaqueelusuario2estámonitorizandoconstantementeelcanal,al detectaresteeventodejaríadeactuarcomonodoesclavoytransmitiríaelpilotode sincronismojuntoasuspulsosdeTH,talycomosemuestraenlafigura6‐2.  Figura6‐2.SeñalTHtransmitidaporusuario1(amarillo)y2(verde),asícomolarecibidaen elreceptordeotronodotrashaberseapagadoeltransmisor1.  Enambassituacionessehanrealizadomedidasdelatasadeerrorempleando unaherramientadiseñadaenLabVIEW,lacualgeneraunatramade10 7 bitshaciendo usodelprocesador,leañadeunacabecerade1bytedelongitudylatransfiereala FPGA,dondeescodificadaytransmitidaalcanalóptico.Unavezdetectadaenel receptor,losdatossondevueltosdeformacableadaalaprimeraplacaparaqueel procesadorpuedarealizarlacomparaciónbitabit.Ensituacionesestables,esdecir, sinqueamitaddelatransmisióndeunpaqueteseapagueelnodomaestro,entodos loscasossehanrecibidolastramassincometerningúnerror,porloquesepuede afirmarqueexisteunaprobabilidaddeerrorinferiora10 ‐7 . Enunsistemadecomunicacionesópticas,apartedelruidoqueintroduceel canal,tantolasderivasentrelosrelojesdeltransmisoryelreceptorcomolospropios ledsintroducenjitterenelreceptorquepuedeafectarnegativamentealbloquede sincronismoy,porende,alasprestacionesdelsistema[Lopez‐Hernandez11].Ante unosnivelesdejitterinferioresaltiempodemuestreodelreceptor,quesegúnel estudioexpuestoenelcapítulo4debedeser16vecesinferioraldechip,elsistemano deberíaverseafectadoporestefenómeno.Conelfindevalidarestaafirmación,se realizaronmedidasdejitterenlaseñalexistentealasalidadelacadenade amplificacióndelreceptor,obteniéndosevalorescercanosaunos10ns.Estosvalores soninferioresalos31,25nsdetiempodemuestreoqueempleaestaimplementación CAPÍTULO6:RESULTADOS 80 yportanto,sepuedeafirmarqueenestasituaciónelsistemanoseveafectadopor estefenómenosiseconsideranlaspruebasdetasadeerrorrealizadas.  Figura6‐3.Medidadeljitterenelreceptor.  6.2. InterfazEthernet‐VLC Enesteapartadosemuestranlasmedidasrealizadassobreeldiseñodel sistemaVLCparaofrecerserviciosdeentretenimientoenvuelo.Comoseexpuso anteriormente,estesistemasebasaenusarlalámparadelecturadelpasajeropara implementarelcanaldebajadayunenlacedeinfrarrojoparaeldesubida. Apesardequeexistensistemasdeiluminaciónledespecíficosparaaviones,en estetrabajosehaempleadounalámparacomercialcompuestapor16leds fosforescentes.Enlafigura6‐4semuestralarespuestaespectraldelosmismos, medidaconelespectrómetroSM‐442deSpectralProducts. Duranteeldesarrollodeestetrabajosefabricóunamaquetadelacabinade pasajerosdeunAirbusA320,locualhapermitidonosóloanalizarlasprestacionesdel sistemaenpresenciadetodaslasreflexionesquepodríanexistirenlaaeronave,sino ademásrealizarmedidasdelairradianciaexistenteendiferentespuntosdelamesa delpasajero.  CAPÍTULO6:RESULTADOS 81  Figura6‐4.Respuestaespectralnormalizadaalvalormáximodelosledfosforescente utilizadosenlalámparadelecturadelpasajero.  Figura6‐5.Espaciodelaboratorioquesimulalascondicionesdeaccesodeunpasajeroenla cabinadeunAirbusA320. 400 450 500 550 600 650 700 750 800 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Potenciaópticanormalizada Longituddeonda(nm) CAPÍTULO6:RESULTADOS 82 Paralarealizacióndedichasmedidassehahechousodelmedidordepotencia 1918‐CdeNewport.Sibienestedispositivoestádiseñadopararealizarmedidasen longitudesdeondaconcretas,trasextraerlaresponsividaddelfotodiodoempleadoy combinarlaconlarespuestaespectraldelledutilizado,hasidoposibleobtenerun factordecorrecciónquepermiteobtenerlairradianciaconsiderandolasaportaciones detodoelespectrovisible.Losresultadosobtenidossemuestranenlafigura6‐6ydan unaideaaproximadadelasregionesdecoberturaquetendríacadapasajero.  Figura6‐6.Irradianciaexistenteendiferentespuntosdelamesadelpasajero. Losdatosprovenientesdeldispositivomóvildelpasajerosonrecibidosporel interfazEthernetdeladaptadordesarrollado,empaquetados,codificadosyfinalmente transmitidosporelenlaceópticoinalámbricoempleandoradiacióninfrarrojaenelde subida.Lafigura6‐7muestralaformadeondadelpaqueteARP(AddressResolution Protocol)delongitud42bytes,alqueselehaagregadolacabeceraylalongituddel mismoalprincipiodelpaquete.Enlapartesuperiorsemuestralalíneade comunicaciónentreelmicrocontroladorylaCPLD,mientrasquelainferior correspondealasalidacodificadaenCR‐DPPM. Debidoalapersistenciadelfósforo,quelimitaelanchodebandadelenlace ópticoaunos5MHz,ylautilizacióndeunacodificaciónCR‐DPPM,latasadedatos máximadelsistemaasciendea2Mbps.Apriori,estehechorequeríaelusode protocolosdecontroldeflujoenelsistema,puestoqueelmóduloEthernettrabajaa 10Mbps.Sinembargo,yaqueelprotocoloTCP,sobreelquesebasalagranmayoría decomunicacionesrealizadasatravésdeinternet,implementaintrínsecamenteeste tipodealgoritmos,enelsistemadesarrolladonosehaintroducidoningúnprotocolo ‐20 ‐10 010 20 ‐20 ‐10 0 10 20 0 5 10 15 20 25 30 35 Distancia(cm) Distancia(cm) Irradiancia(  W/cm 2 ) CAPÍTULO6:RESULTADOS 89 unodeloscanalestrasserfiltradas,preamplificadasyamplificadasenlacadenade recepción.  Figura6‐15.Señaleseneldominiotemporaldelosdoscanalestrasserfiltradas.  Figura6‐16.Representacióndelaseñaldelcanaldealtavelocidadtrasserfiltradaconuna menorescalatemporal. Señaldedatostransmitidaporelcanalrojo Señaldedatostransmitidaporelcanalverdeyazul Señalamplificadaporelreceptorópticocorrespondientealcanalverdeyazul Señalamplificadaporelreceptorópticocorrespondientealcanalrojo Señaldedatostransmitidaporelcanalrojo Señaldedatostransmitidaporelcanalverdeyazul Señalamplificadaporelreceptorópticocorrespondientealcanalrojo CAPÍTULO6:RESULTADOS 90 6.4. SeguridadenlossistemasVLC Comoesbiensabidolascomunicacionesópticasnoguiadasposeenunaventaja competitivafrentealossistemasdeRFencuantoaseguridadserefiere.Sinembargo, elhechodequelaradiaciónquedeconfinadadentrodelahabitaciónnoeliminapor completolaposibilidaddequeserealicenescuchasnodeseadasdelosdatos transmitidos.EstehechosecontemplaenelrecientementepublicadoestándardeVLC [IEEE802.15.7‐2011],enelque,sibienseproponeelusodealgoritmosdeclave simétricaysehacemenciónalaslimitacionesdecosteyduracióndelabatería existentes,noquedabienespecificadoelalgoritmoaemplear.Enestetrabajosehan exploradoyestudiadolascaracterísticasdelassolucionescomúnmenteempleadasen lacapaMACporlossistemasderadiofrecuencia,talescomoWPA(WiFiProtected Access)oWEP(WiredEquivalentPrivacy),oaniveldeaplicacióncomoAES(Advanced EncryptionStandard)oDES(DataEncryptionStandard).Además,conelfindemitigar lasdeficienciasencontradasenparámetroscomolosrequerimientoshardwareola reduccióndelthroughputdelsistema,sehapropuestounamodificacióndela codificaciónCR‐DPPMenlaqueseafrontaelproblemaenelnivelfísico,sinaumentar considerablementenilacomplejidaddelsistemanilosrequerimientoshardware [Quintana11b]. LascodificacionesDPPMsebasanenenviarlainformaciónmodificandola distanciaentrelospulsos.Paraellosedivideeltiempodesímboloenslots, seleccionandolapróximaposiciónenfuncióndelsímboloanteriorylosdatosactuales [Delgado10].Lacodificaciónpropuestaconsisteenmodificarlatabladegeneracióndel transmisor,deformaqueladistanciadelospulsosnosólodependadelosdatosa transmitir,sinotambiéndelestadodeungeneradordecódigo.  Figura6‐17.Diagramadebloquesdelcodificadorconencriptación. Eneldiagramasepuedeobservarlapresenciadeunscrambler,cuyafinalidad principalesladeevitarque,antelargassecuenciasdeunosoceros,sepierdala dependenciadelacodificaciónconlosdatos.Estehechodificultaalusuariono deseadolatareadeaveriguarquégeneradorpseudoaleatorioseestáempleandopara modificarlatabladedistancias.Latabla6‐5muestraunaposibletablaparadeterminar elcálculodedistancias: CAPÍTULO6:RESULTADOS 91 DatosESTADO 00011011 0054o82o63o7 012o63o74o85 103o72o654o8 114o853o72o6 Tabla6‐5.DistanciaentrepulsosparagenerarlacodificaciónDPPMencriptada. Enloquerespectaaladetección,yaqueambosgeneradorespseudoaleatorios debendeestarsincronizados,sehaañadidoalcomienzodelpaquete,ademásdeuna cabeceraconocidade1byte,2bitsdeestadoqueseseránválidosdurantetodoel paquete.Conelobjetivodecompararlacantidadderecursoshardwarenecesariosse hanimplementadoambosmódulosenlenguajeVHDL(VHSICHardwareDescription Language)ysehancompiladosparaunaSpartan3‐A.Además,sehaañadidoenla tabla6‐6lascantidadesdeCLB(ConfigurableLogicBlock)necesariasparaimplementar losalgoritmosWPAyAES,lascualeshansidopublicadasenunainvestigaciónrealizada porSklavosetal.en2005[Sklavos05]: MétododeencriptaciónNúmerodemacroceldasutilizadas CR‐DPPMsinencriptación8 CR‐DPPMEncriptada11 WPA750 AES323 Tabla6‐6.Utilizaciónderecursosparalaimplementacióndediferentesalgoritmosde encriptación. Enlatablasepuedeobservarquelacantidadderecursosnecesariospara implementarlacodificaciónCR‐DPPMencriptadaesbastanteinferioralosrequeridos porunalgoritmoAESoWPA.Encuantoalafuerzadelaencriptación,apesardeque nosehanrealizadoataquesespecíficos,apriori,esdeesperarquelatécnica propuestaenestetrabajoseamásfácilderomperquelasAESoWPA.Sinembargo,no sehalogradodecodificarningúnpaquetecorrectamentealintentarcapturardatos utilizandounmonitorderedconotrousuario.  CAPÍTULO6:RESULTADOS 92 6.5. Conclusionesdelcapítulo Enestecapítulosehanmostradolasmedidasquedemuestranlavalidaciónde losestudiosrealizadosenestatesis.Enlaprimeraparte,sehapresentadoel funcionamientodeunareddesensoresdistribuidabasadaentécnicasdesaltoenel tiempo.Además,sehanpresentadomedidasdejitterytasasdeerrorquedemuestran lasbuenasprestacionesdelsistemadiseñado. Encuantoalcasoprácticodeestudio,serealizaronmedidasdelairradianciaen diferentespuntosdelamesadelpasajeroypruebasdefuncionamiento,empleando tantoconexionesTCPparaaplicacionesweb,comoUDPparalatransmisióndedatos endifusión.Basándoseenlosresultadosobtenidossepuedeafirmarqueelsistema desarrolladoparaofrecerserviciosdeentretenimientoenvuelohaquedadovalidado. Además,sehanpresentadodosprototiposrealizadosduranteeldesarrollodeeste trabajo.ElprimerodemuestralaventajasqueofreceelusodetécnicasWDMsobre ledsRGBensistemasVLC,mientrasqueelsegundopresentalosposiblesalgoritmosde encriptaciónautilizarparamejorarlaseguridadyainherentedeestatecnología.De esteúltimoestudioseproponeunalgoritmodeencriptación,elcualmejorala seguridadsinaumentardrásticamentelosrequisitoshardwaredelsistemaniafectar deformaapreciablealthroughputdelsistema.      93    Capítulo7: Conclusionesylíneas futuras   7.1. Conclusiones Alolargodeestetrabajosehaexploradoelusodetécnicasdesaltoenel tiempoparaimplementarsistemasópticosnoguiados.Sibienestosesquemasnohan sidoampliamenteempleadosensistemasRFcomerciales,laausenciademáscarasde potenciadeemisióneneldominioópticohacequeseeliminenlamayoríadelos inconvenientesdeimplementaciónrelacionadosconestatécnicadecodificación. Enelcampodelascomunicacionesópticasnoguiadas,yespecialmenteenlas redesdesensores,laminimizacióndelconsumoylacomplejidaddelosdispositivos sondosdelosprincipalesobjetivosdediseño,siendoenestosdosfactoresconcretos enlosquelastécnicasdesaltoeneltiempoofrecenunfactordiferenciadorfrentea sushomólogas.Además,aligualquelastécnicasdesecuenciadirectaydesaltoen frecuencia,lasdesaltoeneltiemposecaracterizanporpresentarunamuybuena respuestaantelosfenómenoscomunesenloscanalesópticosnoguiados,comola multipropagaciónolasinterferenciasdebandaestrecha. Eneldiseñodeestetipodesistemassepuedendiferenciardosetapas independientes:laeleccióndeltipodecodificaciónaempleardentrodecadaslotyla formaenquecadausuarioseleccionaloschipspararealizarlatransmisión.Encuanto alaprimera,básicamenteexistendosesquemasdecodificaciónclásicos,yahora estandarizadosporelcomitéIEEE802.15.7:laOOK,caracterizadaporlasimplicidady labuenaeficienciaespectral,ylaPPM,lacualescapazdemejorarlarespuestaante ruidoblancogaussianoeinterferenciadebandaestrecha,ademásdefacilitarlatarea desincronizacióndelreceptor.Unadelasaportacionesdeestatesisconsisteen modificarlacodificaciónTH‐2PPMconelobjetivodemejorarlarespuestadelsistema anteelfenómenodelamultipropagación.Enestetrabajosehandemostradolas buenasprestacionesqueofreceestapropuesta,lacualalcanzasuobjetivosinañadir complejidadadicionalalsistema,nirequerirmayoranchodebanda. CAPÍTULO7:CONCLUSIONESYLÍNEASFUTURAS 94 Encuantoaloscódigosempleadosparaseleccionarenquéslotrealizarla transmisión,sehanestudiadocódigosMLS,GoldyOOCensituacionestanto asíncronascomosíncronas.Enelprimerodeloscasos,dondelosusuarioscomienzan sustransmisioneseninstantescompletamentealeatorios,sehaobtenidoquelos códigosOOCmuestranmenorprobabilidaddecolisióny,portanto,menor probabilidaddeerrordelsistemaacausadelainterferenciamultiusuario.Porsu parte,enelentornosíncrono,lastresfamiliasdecódigoshanpermitido comunicacionesortogonalessiemprequeseseleccionecorrectamentelosestados inicialesdelasfamiliasbasadasenregistrodedesplazamiento(MLSyGold).Estas últimassecaracterizanportenerunaslongitudesdecódigobastanteinferioresalasde loscódigosOOC,locualpermitelageneracióndecodificacionesTHSSconuna eficienciaespectralindividualmayor. Lograrcomunicacionessíncronasnoesunatareasencilla,yaqueesnecesario nosóloquetodoslossímbolosdeTHcomiencenenelmismoinstantedetiempo,sino queademástodoslosusuariostransmitanconelestadoinicialdesugeneradorenel mismosímbolo.Paralograrlo,enestetrabajosehapropuestolaemisióndeunpiloto desincronismoadicionalalaseñalTH,elcualsebasaentransmitirunpulsoperiódico enelprimersubslot0deunacodificaciónTH‐2PPMmodificada.Estehechoofrecetres ventajasprincipalesalsistema:  Laoptimizaciónencuantoaconsumoenergético,yaqueelconsumodel pilotoesequivalentealdeunsistemaenelqueexisteunúnicousuario adicional.  Laoptimizaciónencuantoaeficienciaespectral,puestoquelatransmisión serealizaenunslotnoutilizadoporloscódigosMLS,yportantonorequiere anchodebandaadicional.  LaausenciadeinterferenciassobrelaseñaldeTH. Apesardeestascaracterísticas,lamayorventajacompetitivaqueofrecela topologíapropuestaenestatesisfrentealoscomúnmenteutilizadoscódigosOOC,es elincrementodelaeficienciaespectraldelacodificación,llegándoseaobtener mejorasdehastaenunfactorde1,5parasistemasconpesotres.Estehechoes equivalenteaafirmarqueanteunalimitacióndelanchodebandadelosconversores electroópticosdeterminada,unsistemaTH‐MLSsincronizadopermitiríaaumentaren un50%latasadedatosquepodríaofrecerotrobasadoencódigosOOC.Además,se haapreciadoquedichamejoraseincrementaamedidaquecreceelpesodelcódigo. Esteesquemadecodificaciónpuedeserutilizadoparalaimplementacióntantode redesdesensorescomoderedesdedatosdemedia/altavelocidad,siendoposibleen amboscasostopologíascentralizadasodistribuidas.Independientementedelmodelo empleado,puedeutilizarsebientécnicaspurasdetime‐hoppingenamboscanales, bienunatécnicamixta(downlinksegúnlaspropuestasdelestándarparaVLCyuplink consaltotemporal). CAPÍTULO7:CONCLUSIONESYLÍNEASFUTURAS 95 Comocasoprácticodeestudiodeestatesis,sehadesarrolladounsistemapara ofrecerserviciosdeentrenamientoenvuelo,quevandesdelaemisióndevídeoo audioendifusión,hastalanavegaciónporinternet.Estediseñoproponeunatopología novedosabasadaenemplearlalámparadelecturaparaofrecerunenlacedebajada envisible,mientrasqueelcanalderetornoselograutilizandoradiacióninfrarroja.Si bienladirectividadqueposeelalámparadevisiblepermiteasegurarunenlace dedicadoparacadausuario,estamismapremisanosepuedeaplicarparaelcanalde subida,porloqueesnecesarioelusodetécnicasdeaccesoalmedioparaevitar colisionesentrelosdiferentesusuarios.Bajoesteescenario,losesquemasdesaltoen eltiemposepresentancomounasoluciónmuyinteresanteparaimplementarelcanal desubidaenIRdebidoalasimplicidadylareduccióndeconsumoqueofrecen. Además,elusodeestatécnicadecodificaciónminimizaelefectodelfenómenodela multipropagaciónypresentaunabuenarespuestaanteinterferenciasdebanda estrechaproducidasporotrasfuentesdeiluminación.  7.2. Líneasfuturas Acontinuaciónseproponenlaslíneasdeinvestigaciónrelacionadasconlos principalesaspectostratadosduranteestatesis:  Explorarotrastécnicasdecodificaciónmultinivelquemejorenlabaja eficienciaespectraldecadausuario.Analizandolascaracterísticas temporalesdelasseñalesdesaltoeneltiemposepuedeapreciar claramentecomolagranmayoríadeltiempodesímbolodeTHlaseñalestá anivelbajo,mientrasqueenelslotseleccionadoporelcódigosetransmite señalconunosvaloresinstantáneosbastanteelevados.Yaqueeneste trabajosehapropuestoladetecciónaniveldechip,unalíneade investigaciónadesarrollarenelfuturoseríaelestudiodecómoaprovechar estascaracterísticastemporalesparaintroducircodificacionesmultinivel quepermitanmejorarlaeficienciaespectraldelascodificacionesTHSS.  Estudiaralgoritmosdinámicosquepermitanemplearcanalesnoutilizados paraaumentarlatasadetransmisiónindividualdecadausuario.Una situacióncomún,especialmenteenredesdesensores,eslatransmisión esporádicadeunnodoestandoapagadoslamayoríadelosdemás. Evidentementeesogeneraunaineficienciadelsistemaquepodríaser corregidaensistemascentralizados,dondeelnododecontrolomaestrono sólotransmitaelpilotodesincronismo,sinoqueademástengalacapacidad deasignardinámicamentecódigosnoutilizados. Apesardequeelaumentodelacomplejidaddelnodoesclavono seríaexcesivo(únicamentedebenintroducirseconversoresseries‐paraleloy duplicarotriplicarlacadenadetransmisión),lanecesidaddeimplementar CAPÍTULO7:CONCLUSIONESYLÍNEASFUTURAS 96 uncanaldegestiónpuedequeincrementeenexcesolacomplejidaddel sistema.  Mejorarelpilotodesincronismo.Enelcapítulo4sedemostró analíticamentequeenunentornodeaplicacióndeunahabitaciónde5x3x3, lasvariacionesderetardodebidoadiferentesposicionesdelosnodos esclavoslimitanlamáximafrecuenciadechipdelsistema.Sibienestehecho noesunfactorcríticoenredesdesensores,síqueloesenredesdedatos demedia/altavelocidad.Unaposiblesoluciónparamitigaresteproblema radicaenaplicaralgoritmosdelocalizaciónbasadosenelcálculodelos ángulosdeincidenciaenelreceptor,comolospropuestosenelestándar VLC,obiensimplificarelproblemaestimandoladistanciaenfuncióndela potenciaópticarecibidaencadapulso.Unavezcalculadas,laestimaciónde lascorreccionestemporalesenlosinstantesdecomienzodelossímbolos seríantriviales.  Optimizarlapropagacióndelpilotoenredesdedatosdistribuidas.Enesta tesissepartiódelahipótesisdequeexistevisiónentretodoslosnodosdela habitación.Sinembargo,¿cómosepodríapropagarelpilotoensituaciones dondeexistannodosocultos?.Unaposiblesoluciónpodríaserla introduccióndeunmododefuncionamientoadicionalconocidocomo repetidor.Además,seránecesariointroduciralgoritmosdegestiónyun sistemadetomadedecisionesdistribuidoquereaccioneantediferentes eventosdelared.  Mejorarlaconectividaddeladaptadordiseñadoparaofrecerserviciosde entretenimientoenvuelo.LasoluciónEthernetposeecomoventajas principaleslatransparenciaylasencillez,sinembargo,unadaptadorbasado enunpuertoUSBpodríasermásgenérico,yaquemuchosdispositivos móvilesnoposeenpuertoEthernet,yademásreduciríaeltamañodel adaptadoryposiblementeelconsumo.  Realizarestudiosdefortalezadelalgoritmodeencriptacióndiseñadosobre lacodificaciónCR‐DPPM.Seránecesarioestudiarlosmétodosdeataquemás comunespara,unavezobtenidoslostiemposaproximadosderuptura, realizarunacomparativaconlosdelosalgoritmoscomúnmenteempleados porlossistemasdecomunicacióncomerciales.  Explorarelusodetécnicasdesaltoeneltiemposobredispositivosde iluminacióndenuevageneración.Apesardequeenlaactualidad tecnologíascomolosOLEDolosledsdecavidadresonantenoseestán empleandoampliamenteparacomunicaciones,elmercadodelailuminaria evolucionaconstantemente.Seríamuyinteresanteestudiarcómo respondenestosdispositivosanteseñalesconlascaracterísticastemporales delastécnicasdesaltoeneltiempoyanalizarlaviabilidaddeusarestos emisoresparaimplementarestetipodesistemas. CAPÍTULO7:CONCLUSIONESYLÍNEASFUTURAS 97 7.3. Publicacionesderivadas 7.3.1. Revistasinternacionales "Time‐HoppingSpread‐SpectrumSystemforwirelessopticalcommunications". IEEETransactionsonCommunicationElectronics.2009. "VLCSystemsforOpticalVideoTransmission".Microwave&OpticalTechnology Letters.2010. "ExperimentalevaluationofvideotransmissionThroughLEDillumination devices".IEEETransactionsonConsumerElectronics.2010 "DesignandImplementationofanEthernet‐VLCInterfaceforBroadcast Transmissions".IEEECommunicationsLetters.2010. 7.3.2. Congresosinternacionales "IlluminationInterferenceReductionSystemforVLCCommunications".WSEAS‐ F&B.2009. "VLCSystemForOpticalWirelessSensorNetworking".ProceedingsESA WirelessSensorNetworksforSpaceApplicationsWorkshop.Grecia.2009. "Considerationsonmodulationsandprotocolssuitableforvisiblelight communications(VLC)channels".IEEEInternationalConferenceonConsumer Electronics2011.USA.2011. "VisibleLightCommunicationSystemsforPassengerIn‐FlightData Networking".IEEEInternationalConferenceonConsumerElectronics2011.USA.2011. "EthernettoVisible‐LightCommunicationsAdapterforIn‐FlightPassengerData Networking".IEEEInternationalConferenceonWirelessCommunicationsand Networks2011(CWCN2011).China.2011. 7.3.3. Congresosnacionales "SistemaTHSSparacomunicacionesópticasnoguiadascompatibleconenlaces IrDA".XXIISymposiumdelaURSI.Tenerife.2007. "SistemaVLCparatransmisióndevideo".VIReuniónEspañolade Optoelectrónica(Optoel).Málaga.2009. "Diseñoeimplementacióndeunsistemadecomunicacionesópticasnoguiadas pararedesCANBUS".VIReuniónEspañoladeOptoelectrónica(Optoel).Málaga.2009. "ModelodeInterferenciasdeLámparasIncandescentesparaComunicaciones ÓpticasnoGuiadas".XXIVSymposiumdelaURSI.Santander.2009. "Sistemadereduccióndeinterferenciasporiluminaciónencomunicaciones VLC".XXIVSymposiumdelaURSI.Santander.2009. CAPÍTULO7:CONCLUSIONESYLÍNEASFUTURAS 98 "PPMDiferencialconThroughputConstanteParaComunicacionesÓpticas Visibles".XXIVSymposiumdelaURSI.Santander.2009. 7.3.4. Artículosremitidospendientesderevisión "SecurityconsiderationsonVLCcommunicationssystems"remitidoaEURASIP JournalonWirelessCommunicationsandNetworking.2012. "ReadingLamp‐BasedVisibleLightCommunicationIn‐FlightDataAccess" remitidoaIEEETransactionsonCommunicationsElectronics.2012.  BIBLIOGRAFÍA 105 [Moreira95]A.J.C.Moreira,R.T.Valadas,A.M.deOliveiraDuarte;"CharacterisationandModellingof ArtificialLightInterferenceinOpticalWirelessCommunicationSystems";Personal,IndoorandMobile RadioCommunicationsConference(PIMRC)1995,Canada,1995. [Moreira96]A.J.C.Moreira,R.T.Valadas,A.M.deOliveiraDuarte;"Performanceofinfrared 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[O'Brien08]D.O’Brien,G.E.Faulkner,S.Ziki,N.P.Schmitt;"HighData‐RateOpticalWireless CommunicationsinPassengerAircraft:MeasurementsandSimulations";6thInternationalSymposium onCommunicationSystems,NetworksandDigitalSignalProcessing(CNSDSP)2008,pp.68‐71,2008. [O'Brien10]D.O'Brien,H.LeMinh,G.Faulkner,M.Wolf,L.Grobe,J.Li,O.Bouchet;"Highdata‐rate infra‐redopticalwirelesscommunications:implementationchallenges";IEEEGlobecom2010Workshop onOpticalWirelessCommunications,pp.1047‐1051,2010. [O'Brien11]D.O'Brien,H.LeMinh,G.Faulkner,M.Wolf,L.Grobe,J.Li,O.Bouchet;"Highdata‐rate infra‐redopticalwirelesscommunications:implementationchallenges";IEEEGlobecom2010Workshop onOpticalWirelessCommunications,pp.1047‐1051,2010. [OMEGA]OMEGAproject."http://www.ict‐omega.eu". [Osram]Disponibleen:http://catalog.osram‐os.com/catalogue/catalogue.do? act=showBookmark&favOid=000000010000f4840001003a. [Ouzzif07]M.Ouzzif;J.LeMasson;"ChannelCapacityStatisticalAnalysisforIndoorPowerLine Transmissions";InternationalSymposiumonSignals,SystemsandElectronics(ISSSE)2007,pp.575‐ 578,2007. [Park12]I.H.Park,Y.H.Kim,J.Y.Kim;"Interferencemitigationschemeofvisiblelightcommunication systemsforaircraftwirelessapplications";IEEEInternationalConferenceonConsumerElectronics(ICCE) 2012,pp.355‐356,2012. [Perez‐Jimenez95]R.Perez‐Jimenez,V.M.Melián,M.J.Betancor;"Analysisofmultipathimpulse responseofdiffuseandquasi‐diffuseopticallinksforIR‐WLAN";ConferenceoftheIEEEComputerand CommunicationsSocietiesBringingInformationtoPeople(INFOCOM)1995,vol.2,pp.924‐930,1995. [Perez‐Jimenez96]R.Perez‐Jimenez,J.A.Rabadán,M.J.Betancor;"2Mbit/sFQPSK‐2modemfor InfraredwirelessLAN";IEEEElectronicsLetters,vol.32,n.20,pp.1848‐1849,1996. 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[Quitana11b]C.Quintana,J.Rufo,R.Perez‐Jimenez,V.Guerra,J.Rabadan;"Securityconsiderationson VLCcommunicationssystems"enviadoaEURASIPJournalonWirelessCommunicationsandNetworking, 2012. [Rabadan00]J.Rabadán;"ContribuciónalEstudiodelasComunicacionesÓpticasDifusasdeAlta VelocidadMedianteSeñalesdeEspectroEnsanchado";TesisDoctoral,UniversidaddeLasPalmasde GranCanaria,2000. [Rabadan01]J.Rabadán,R.Pérez,S.Rodríguez,F.López;"Fundamentosdelossistemasdelespectro ensanchado";ColecciónTextosUniversitarios,GobiernodeCanarias,2001. [Roberts03]R.Roberts;"XtremeSpectrumCFPDocument";IEEEP802.15‐03/153r8,2003. [Rockwell]www.rockwellcollins.com. [Rodriguez02]S.Rodríguez,R.Pérez‐Jiménez,F.J.López‐Hernández,O.González,A.Ayala;"Reflection modelforcalculationoftheimpulseresponseonIR‐wirelessindoorchannelsusingray‐tracing 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