Estado Actual de Las Comunicaciones Por Radiofrecuencia

Estado actual de las Comunicaciones

por Radio Frecuencia

Jordi Mayné

Ingeniero de Aplicaciones [email protected]

Rev. 4 2009

Comunicaciones inalámbricas

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Indice 1. Comunicaciones Inalámbricas................................................................................................................................... 3

1.1. Tipos de Comunicaciones inalámbricas por RF................................................................................................. 3 1.2. Bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical) ............................................................................................... 4 1.3. Tipos de Modulación Digital.............................................................................................................................. 6

1.3.1. Modulación por variación de Amplitud (ASK – OOK) 6 1.3.2. Modulación por desplazamiento de Frecuencia (FSK) 6 1.3.3. Modulación por desplazamiento de Fase (PSK) 7 1.3.4. Modulación por desplazamiento de Fase en Cuadratura (QPSK) 7 1.3.5. Modulación por desplazamiento de Fase Múltiple (MPSK) 7 1.3.6. Modulación de Amplitud en Cuadratura (QAM) 7 1.3.7. Modulación de Fase en Cuadratura (QPM) 7 1.3.8. Modulación de Fase y Amplitud en Cuadratura (QAPM) 8 1.3.9 Modulación por División de Frecuencia Ortogonal (OFDM) 8

1.4. Tipos de tecnologías empleadas en radiofrecuencia........................................................................................... 8 1.4.1. Espectro expandido por secuencia directa o DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) 8 1.4.2 Espectro expandido por salto en frecuencia o FHSS (Frecuency Hopping Spread Spectrum) 10

1.5. Indicador de la potencia de señal recibida (RSSI)............................................................................................ 10 1.6. Indicador de potencia de señal recibida (LQI) ................................................................................................. 10

2. Componentes y Protocolos ....................................................................................................................................... 12 2.1 Comunicaciones sin Protocolo estándar............................................................................................................ 12

2.1.1 Wireless RF por debajo de 1GHz. Bandas ISM (primera parte). 12 2.1.2 Wireless RF por encima de 1GHz. Bandas ISM (segunda parte). 21

2.2 Comunicaciones con Protocolo estándar........................................................................................................... 29 2.2.1 ZigBee IEEE 802.15.4 29 2.2.2 Wireless HART 40 2.2.3 RF4CE – Radio Frequency For Consumer Electronics 41 2.2.4 Protocolo Synkro™ 41 2.2.5 ISA 100.11a - ISA – The Instrumentation, Systems, and Automation Society 42 2.2.6 Bluetooth 44 2.2.7 ULP Bluetooth (Ultra Low Power Bluetooh) 47 2.2.7 WiFi o WLAN IEEE 802.11 48 2.2.8 DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) 50 2.2.9 HomeRF 50 2.2.10 HiperLAN2 50 2.2.11 UWB (Ultra Wide Band) 50 2.2.12 WiMedia Alliance 51 2.2.13 WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) 52 2.1.14. Certified Wireless USB 53

Nota: Toda la información relacionada sólo pretende ser una recopilación de los sistemas actuales de comunicación digitales inalámbricos vía RF, cuya información está en Internet y ha sido traducida para que un diseñador tenga una guía donde pueda seleccionar la opción más óptima para su aplicación. Todos los dispositivos expuestos son de los fabricantes de semiconductores representados por SILICA Avnet Iberia, con lo que puede haber otros dispositivos de otros fabricantes. Esta guía se actualiza constantemente debido a la evolución de la tecnología en RF, para cualquier información adicional puede contactar con su oficina de Silica.


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1. Comunicaciones Inalámbricas Una comunicación inalámbrica es cuando los medios de unión entre sistemas no son con cables. Sus principales ventajas son que permiten una facilidad de emplazamiento y reubicación, evitando la necesidad de establecer un cableado y su rapidez en la instalación. Las técnicas utilizadas son: por Infrarrojos (IR), y por radiofrecuencia (RF). Infrarrojos: Sólo permiten comunicaciones para pequeñas distancias, los puntos de conexión deben ser siempre visibles, el campo de aplicación es limitado, su uso aún es muy extendido.

Las primeras redes inalámbricas las implementó IBM en Suiza en 1979 y fue el punto de partida de la tecnología WLAN (wilreless Local Area Network)

RadioFrecuencia: Permite comunicaciones de corto y medio alcance, puede atravesar obstáculos y paredes, el campo de aplicación es muy grande.

En este artículo sólo se van a tratar los sistemas de RadioFrecuencia o “wireless RF”. 1.1. Tipos de Comunicaciones inalámbricas por RF Las transmisiones de datos entre equipos electrónicos sin cables se están aplicando cada vez más debido a los medios tecnológicos actuales, que son los circuitos integrados que permiten hacer un diseño sin tener demasiados conocimientos de RF, ni disponer de costosa instrumentación para RF, ya que estos dispositivos requieren pocos componentes externos y ningún tipo de ajuste en RF. Hablando en términos de aplicaciones industriales, primero se usaron módulos de RF con componentes discretos unidireccionales, precisamente para no tener que depender de un diseño en RF sin tener experiencia. Posteriormente con la aparición de circuitos transmisores completamente integrados con las funciones de emisor y receptor en diferentes bandas de frecuencia que se fueron estandarizando por zonas (Europa, USA y Japón), han permitido poderlos utilizar en los diferentes campos ya sea aplicación industrial, comercial, y medico, como: control remoto, transmisión de datos en sensores o sistemas de adquisición de datos, en monitorización médica o de la salud, etc... Las comunicaciones inalámbricas por RF se pueden dividir en las que no cumplen ningún protocolo estándar (llamadas propietarias) y las que cumplen un protocolo estándar, y por otro lado en las frecuencias de trabajo (las actualmente llamadas >1GHz, y las de 2.4GHz). Las >1GHz van desde 300 a 900MHZ (según las normativas en cada zona) y las de 2.4GHz que están normalizadas en todo el mundo, que a la vez definen velocidad de transmisión o ancho de banda y campo de aplicación.


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Consideraciones sobre las comunicaciones RF de corto alcance

Siempre que se empieza hablar de comunicaciones RF, se pide el coste (como siempre), el alcance, el consumo, usar un estándar o no,…

Todas estas preguntas siempre están relacionadas, ya que hay una serie de parámetros que influyen en todas

ellas. Por ejemplo, el alcance depende de la frecuencia de trabajo, a mayor frecuencia menor alcance. El alcance depende de la potencia de salida, pero también de la sensibilidad de recepción. La potencia de salida y la sensibilidad del receptor dependen también de la antena, del tipo de antena (externa, cerámica o de circuito impreso) y de sus características. Y finalmente depende del entorno o medio, es decir no es lo mismo en el aire libre en campo abierto o en una ciudad, dentro de una nave industrial o en un edificio, con paredes sencillas o con muros de cemento. Resumiendo, el rango de trabajo en RF depende de:

• Frecuencia • Potencia de salida • Sensibilidad de recepción • Características de la antena • Entorno de trabajo

1.2. Bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical) Las bandas ISM para sistemas de comunicaciones digitales inalámbricas empleando la radiofrecuencia, son las que no necesitan licencia (siempre que no se pasen los límites de potencia) y son gratuitas en cuanto a la necesidad de usar protocolos normalizados.

Las frecuencias de trabajo estandarizadas por debajo de 1GHz son: 315 MHz en USA (potencia máxima +30

dBm), 433 MHz (+10 dBm) y 868 MHz (+14 dBm) en Europa en AM o FM.

Rango de Frecuencia

(MHz)

Aplicaciones Potencia de Salida

Espacio entre

canales

Ciclo de Servicio

0,1%

Ciclo de Servicio

1%

Ciclo de Servicio

10%

Ciclo de Servicio

hasta 100% 433.05 - 434.79 Propósito general 10 mW - 868.00 - 868.60 Propósito general 25 mW - X 868.60 - 868.70 Dispositivos de alarma 10 mW 25 kHz X 868.70 – 869.20 Propósito general 25 mW - X 869.20 – 869.25 Dispositivos de alarma

social 10 mW 25 kHz X

869.25 – 869.30 Dispositivos de alarma 10 mW 25 kHz X 869.30 - 869.40 Protocolo EACM Sin

definir 25 kHz

869.40 - 869.65 Propósito general 500 mW 25 kHz X 869.65 - 869.70 Dispositivos de alarma 25 mW 25 kHz X 869.70 - 870.00 Propósito general 5 mW - X

Bandas ISM <1GHz en Europa


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P

OW

ER

[ E

RP

]

868.0 868.6 868.7 869.2 869.3 869.65 870 [MHz] 869.25 869.4 869.7

WIDE BAND 25 kHz WIDE BAND -25 kHz- 25 kHz 25 kHz WIDEBAND or

WIDEB.

Duty Cycle: <1% <0.1% <0.1 % <0.1% <10 % <10% up to100%

[mW]

500

100

10

100kHz

25 mW 10mW 25mW

5 mW10mW

25mW

600 kHz 500 kHz 300 kHz

GENERAL SRD ALARM’s General-SRD Soc. AL. General-SRD AL. General-SRD Alarms

500mW

Acc

ess

Pro

toco

l

Existing use of the band 868-870 MHz (ERC REC 70-03 )

100 250 kHz

Regulaciones en las bandas ISM <1GHz en el mundo USA/Canada:

260 – 470 MHz (FCC Part 15.231; 15.205) 902 – 928 MHz (FCC Part 15.247; 15.249)

Europa:

433.050 – 434.790 MHz (ETSI EN 300 220) 863.0 – 870.0 MHz (ETSI EN 300 220)

Japón:

315 MHz (Aplicaciones de muy baja potencia) 426-430, 449, 469 MHz (ARIB STD-T67)

La banda de frecuencias a 2.4GHz está normalizada en casi todo el mundo con algunas diferencias, con

respecto a la potencia máxima de salida en USA es de 1W y en Europa es de 100mW y para 802.15.4/Zigbee es de 10mW (0dBm) USA/Canada:

2400 – 2483.5 MHz (FCC Part 15.247; 15.249) Europa:

2400 – 2483.5 MHz (ETSI EN 300 440 or ETSI EN 300 328) Japón:

2400 – 2483.5 MHz (ARIB STD-T66) 2471 – 2497 MHz (ARIB RCR STD-33)

dBm: Expresa la potencia absoluta mediante una relación logarítmica. Es el nivel de potencia en decibelios en relación a un nivel de referencia de 1 mW. Si alguien no se acuerda de cómo se calcula la conversión de mW a dBm se puede visitar la web http://www.wifisafe.com/conversion_unidades.php donde se facilita esta tarea de conversión.


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1.3. Tipos de Modulación Digital Las formas básicas de modulación digital son ASK, OOK, FSK, PSK. 1.3.1. Modulación por variación de Amplitud (ASK – OOK) Las ventajas de la modulación por variación de amplitud ASK (Amplitude Shift Keying) son el sencillo diseño (menor coste) y el bajo consumo.

Especialmente si se utiliza el método de modulación On/off OOK (On/Off Keying) , donde un 0 digital no hay potencia de salida y un 1 digital se entrega toda la señal portadora, se reduce muchísimo más el consumo. La desventaja es la fragilidad en presencia de interferencias por ruido eléctrico, que pueden provocar errores en los datos recibidos.

1.3.2. Modulación por desplazamiento de Frecuencia (FSK) La modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK – Frequency Shift Keying), con un 0 digital se transmite una portadora a una frecuencia y con un 1 digital se transmite la portadora a otra frecuencia distinta, con la misma amplitud. La ventaja de este tipo de modulación es la mejor robustez ante la presencia de interferencias. La desventaja es la complejidad del sistema (mayor coste) y el consumo que permanece siempre presente durante la transmisión. Se utiliza en los módems de baja velocidad. Se emplea separando el ancho de banda total en dos bandas, los módems pueden transmitir y recibir datos por el mismo canal simultáneamente. El módem al que se “llama” se pone en el modo de llamada y el módem que “responde” pasa al modo de respuesta gracias a un conmutador que hay en cada módem.


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Este tipo de modulación consiste en asignar una frecuencia diferente a cada estado significativo de la señal de datos. Para ello existen dos tipos de modulación FSK:

• FSK Coherente: Esta se refiere cuando en el instante de asignar la frecuencia se mantiene la fase de la señal. • FSK No Coherente: Aquí la fase no se mantiene al momento de asignar la frecuencia. La razón de una

modulación FSK no coherente ocurre cuando se emplean osciladores independientes para la generación de las distintas frecuencias. La modulación FSK se emplea en los módem en forma general hasta velocidades de 2400 baudios. Sobre velocidades mayores se emplea la modulación PSK.

1.3.3. Modulación por desplazamiento de Fase (PSK) En la modulación por desplazamiento de fase (PSK - Phase Shift Keying), se codifican los valores binarios como cambios de fase de la señal portadora.

Dentro del contexto PSK se distinguen dos tipos de modulación de fase:

• Modulación PSK. La modulación PSK consiste en cada estado de modulación está dado por la fase que lleva la señal respecto de la original.

• Modulación Diferencial de Fase DPSK (Diferential PSK) cada estado de modulación es codificada por un salto respecto a la fase que tenía la señal anterior. Empleando este sistema se garantizan las transiciones o cambios de fase en cada bit, lo que facilita la sincronización del reloj en recepción.

1.3.4. Modulación por desplazamiento de Fase en Cuadratura (QPSK) La modulación por desplazamiento de fase en cuadratura (QPSK - Quadrature PSK), consiste en que el tren de datos a transmitir se divida en pares de bits consecutivos llamados Dibits, codificando cada bit como un cambio de fase con respecto al elemento de señal anterior. 1.3.5. Modulación por desplazamiento de Fase Múltiple (MPSK) La modulación por desplazamiento de fase múltiple (MPSK – Multiple PSK), en este caso el tren de datos se divide en grupos de tres bits, llamados tribits, codificando cada salto de fase con relación a la fase del tribit que le precede. La necesidad de transmisión de datos a velocidades cada vez más altas a hecho necesario implementar otro tipo de moduladores más avanzados como es la Modulación en Cuadratura. Este tipo de modulación presenta 3 posibilidades: 1.3.6. Modulación de Amplitud en Cuadratura (QAM) La modulación de amplitud en Cuadratura (QAM – Quadrature Amplitude Modulation), en este caso ambas portadoras están moduladas en amplitud y el flujo de datos, divididos en grupos de 4 bits, y a su vez en subgrupos de 2 bits, codificando cada dibits en 4 estados de amplitud en cada una de las portadoras. Consiste en una combinación de PSK y ASK, es decir, se van a combinar las variaciones de amplitud en referencia al momento de fase en que ocurren con lo cual vamos a poder incluir más bits en los mismos ciclos. 1.3.7. Modulación de Fase en Cuadratura (QPM) En este tipo de modulación de fase en cuadratura (QPM – Quadrature Phase Modulation), las portadoras tienen 2 valores de amplitud. El flujo de datos se divide igual que en el caso anterior en grupos de 4 bits y a su vez en subgrupos de 2 bits, modulando cada dibit en 4 estados de fase diferencial en cada una de las portadoras.


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1.3.8. Modulación de Fase y Amplitud en Cuadratura (QAPM) Esta modulación de fase y amplitud en cuadratura (QAPM – Quadrature Amplitude Phase Modulation), también conocida como AMPSK o QAMPSK debido a que es una combinación de los dos sistemas de amplitud y fase. El esquema típico en este caso consiste en agrupar la señal en grupos de 4 bits considerando 2 dibits, el primer dibits modula la portadora I en amplitud y fase mientras que el otro realiza lo mismo con la portadora Q. 1.3.9 Modulación por División de Frecuencia Ortogonal (OFDM) La modulación por división de frecuencia ortogonal (OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing), también conocida como 'Modulación por multitono discreto' (DMT), trabaja dividiendo el espectro disponible en múltiples subportadoras.

1.4. Tipos de tecnologías empleadas en radiofrecuencia En radiofrecuencia se emplean dos tipos de tecnologías, la banda estrecha y la banda ancha (llamado también espectro expandido) que aprovecha todo el ancho de banda disponible, en lugar de utilizar una portadora para concentrar toda la energía a su alrededor.

1.4.1. Espectro expandido por secuencia directa o DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) Esta tecnología se genera un patrón de bits redundante (señal de chip) para cada uno de los bits que componen la señal. Cuanto mayor sea esta señal, mayor será la resistencia de la señal a las interferencias. El estándar IEEE 802.11 recomienda un tamaño de 11 bits, pero el óptimo es de 100. En recepción es necesario realizar el proceso inverso para obtener la información original. La secuencia de bits utilizada para modular los bits se conoce como secuencia de Barker (también llamado código de dispersión o PseudoNoise). Es una secuencia rápida diseñada para que aparezca aproximadamente la misma cantidad de 1 que de 0. Un ejemplo de esta secuencia es el siguiente:

+1 –1 +1 +1 –1 +1 +1 +1 –1 –1 –1 –1 Solo los receptores a los que el emisor haya enviado previamente la secuencia podrán recomponer la señal original. Además, al sustituir cada bit de datos a transmitir, por una secuencia de 11 bits equivalente, aunque parte de la señal de transmisión se vea afectada por interferencias, el receptor aún puede reconstruir fácilmente la información a partir de la señal recibida.


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Esta tecnología aumenta la sensibilidad de recepción en varios dBm. A continuación podemos observar como se utiliza la secuencia de Barker para codificar la señal original a transmitir:

Actualmente en Zigbee/802.15.4 se usa 4 bits que son codificados a 32 chips.

Además la tecnología DSSS aumenta la sensibilidad de recepción entre 4 y 6 dBm


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1.4.2 Espectro expandido por salto en frecuencia o FHSS (Frecuency Hopping Spread Spectrum) Esta tecnología consiste en transmitir una parte de la información en una determinada frecuencia durante un intervalo de tiempo. Pasado este tiempo se cambia la frecuencia de emisión y se sigue transmitiendo a otra frecuencia. De esta manera cada tramo de información se va transmitiendo en una frecuencia distinta durante un intervalo muy corto de tiempo.

1.5. Indicador de la potencia de señal recibida (RSSI) RSSI (Receive Signal Strength Indication) es una medida de la potencia presente en un receptor. RSSI es la tecnología métrica de receptor de radio genérica, que por lo general es invisible al usuario del dispositivo que contiene el receptor, pero es directamente conocido a los usuarios de redes inalámbricas de protocolo IEEE 802.11. RSSI a menudo se da en la etapa de frecuencia intermedia (IF), antes del amplificador de IF. En los sistemas de IF cero, se da en la cadena de señal de banda base, antes del amplificador de banda base. La salida RSSI es a menudo un nivel analógico de corriente continua. También puede ser muestreado por el ADC interno y los códigos resultantes disponibles directamente o por medio del periférico o el bus interno del procesador. RSSI en implementaciones 802.11 En un sistema IEEE 802.11, es la potencia de señal recibida en un ambiente inalámbrico en unidades arbitrarias. RSSI puede ser usado internamente en un equipo de radio dentro de una red, para determinar cuando la cantidad de energía de radio en el canal está por debajo de un cierto umbral en que punto de la red está preparado para enviar (CTS). Una vez que este dispositivo está preparado para enviar información, puede ser enviada una trama de información. El usuario final probablemente observará un valor de RSSI midiendo la potencia de señal de una red inalámbrica a través de una herramienta de supervisión de la red inalámbrica. 1.6. Indicador de potencia de señal recibida (LQI) LQI (Link Quality Indication) es una medida de la calidad de la señal recibida, da una estimación de la facilidad de ser demodulada una señal recibida por acumulación de la magnitud del error entre constelaciones ideales y la señal recibida sobre los 64 símbolos inmediatos después de la palabra de sincronización. LQI es la mejor medida relativa de la calidad de un enlace (un valor alto indica un mejor enlace), ya que el valor es dependiente del formato de la modulación. El indicador RSSI no se ocupa de la “calidad" o la “corrección" de la señal. El indicador LQI no se ocupa de la potencia real de señal, pero la calidad de señal a menudo está unida a la potencia de la señal. Esto es porque una señal potente probablemente está menos afectada por el ruido y así será vista como "limpiador" o más como “corrector" por el receptor. Para simplificar: Si la modulación recibida es FSK o GFSK, el receptor medirá la frecuencia de cada "bit" y lo comparará con la frecuencia esperada, basada en la frecuencia del canal, la desviación y la compensación de la frecuencia medida. Si se usan otras modulaciones, el error del parámetro modulado (la frecuencia para FSK/GFSK, fase para MSK, la amplitud para ASK, etc…) será medido contra el valor ideal esperado ideal. Hay cinco “casos extremos" que pueden ser usados para ilustrar como trabajan los indicadores RSSI y LQI: 1. Una señal débil en presencia de ruido, puede dar un valor bajo de RSSI y de LQI. 2. Una señal débil en la ausencia total de ruido, puede dar un valor bajo de RSSI y un valor alto de LQI. 3. El ruido fuerte (por una interferencia), puede dar un valor alto de RSSI y un valor bajo de LQI. 4. Una señal fuerte sin mucho ruido, puede dar un valor alto de RSSI y de LQI. 5. Una señal muy fuerte, que puede saturar el receptor, pueden dar un valor alto de RSSI y bajo de LQI.


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Tanto los indicadores RSSI como LQI son los mejores para ser usados como medidas relativas, ya que estos valores dependen del formato de modulación. Función Wake-on-radio: Permite un muy bajo consumo en un receptor en modo ”polling” (unos pocos µA, sin intervención de la MCU).


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2. Componentes y Protocolos 2.1 Comunicaciones sin Protocolo estándar 2.1.1 Wireless RF por debajo de 1GHz. Bandas ISM (primera parte).

Estos sistemas no utilizan ningún protocolo estándar. Los circuitos integrados dentro de este grupo se basan en un transmisor integrado en un solo circuito, exceptuando la antena, el cristal y algunos componentes externos, sin necesidad de ajustes de RF. Actualmente también empiezan a incluir un microcontrolador en el mismo chip.

Normalmente la frecuencia de trabajo, la velocidad de transmisión y la potencia de salida son programables. Están por debajo de la potencia máxima permitida sin necesidad de licencia. Son fácilmente conectables a un microcontrolador, los que no lo incluyen. El receptor también es un circuito integrado o puede estar integrado en el propio emisor. El receptor normalmente dispone de un sistema para dejarlo dormido y activarse rápidamente. Las aplicaciones en esta banda por debajo de 1GHz son: Alarmas y Sistemas de seguridad, Lectura automática de medida (Automatic Meter Reading), Control remoto de entrada sin llaves (Remote Keyless Entry), Control Remoto, Control y monitorización industrial, Telemetría, etc... Solución <1GHz de Analog Devices: Ofrece varios transceptores que van desde 50MHz hasta 1GHz, con velocidades de transmisión hasta 150kbps y una potencia de salida programable hasta +10dBm y una alta sensibilidad, con la familia ADF70xx, que permite un enlace a gran distancia.

Tipo Modul. Potencia Frecuencia MHz

Velocidad Consumo Encapsulado

ADF7010 Emisor FSK/ASK/GFSK -20dBm a +10dBm

USA 76 kbps 30mA a +10 bBm

24 TSSOP


Europa 76.8 kbps 30mA a +10 bBm

24 TSSOP


USA/Europa 150 kbps 21mA a +10 bBm

24 TSSOP

ADF7020 Emisor/Receptor FSK/ASK/GFSK -16dBm a +13dBm

USA/Europa 200 kbps 19mA a +10 bBm

48 LFCSP

ADF7021 Emisor/Receptor 2FSK, 3FSK, 4FSK

-16dBm a +13dBm

80 a 940 25 kbps 27mA a +10 bBm

48 LFCSP

ADF7025 Emisor/Receptor FSK -16dBm a +13dBm

434 – 868 384 kbps 27mA a +10 bBm

48 LFCSP

Transceptor UHF ADF7020 • 433MHz, 868MHz y 915MHz • Modulación FSK/GFSK/ASK • Sensibilidad

o -98dBm a 19.2kbits/s, BER = 10E-3 o -110dBm a 1.2kbits/s, BER = 10E-3

• Receptor Idd – 20mA, programable • VCO interno con BIAS programable • Potencia de salida programable > +10dBm • Detección del Preámbulo

Para más información Wireless RF de Analog Devices: http://www.analog.com


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Solución <1GHz de Freescale Freescale dispone de transmisores, el emisor MC33696 con modulación programable FSK y OOK, en las bandas programables de 304 a 915 MHz, que pueden ser controlados desde un microcontrolador vía SPI.

Freescale Tipo Banda (MHz) Modulación Alimentación Sensibilidad /Potencia

Velocidad Encapsulado

MC33596 Receptor 304 a 915 OOK/FSK 2,1 a 5,5V -108 dBm 20 kbps 32 LQFP/QFN MC33696 Emisor/Receptor 304 a 915 OOK/FSK 2,1 a 5,5V -108 dBm/ 7dBm 20 kbps 32 LQFP/QFN

Para más información Wireless RF de Freescale: http://www.freescale.com


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Solución <1GHz de Infineon Infineon ofrece una familia de emisores, receptores y transmisores que se pueden ver en la tabla siguiente: Infineon Tipo Banda

(MHz) Modulación Alimentaci

ón Sensibilidad /Potencia

Velocidad kbps

Encapsulado

TDA7100 Emisor 433 a 435 ASK/FSK 2,1 a 4V /+5 dBm 10 TSSOP TDA7200 Receptor 400 – 440 ASK/FSK 5V -106dBm Hasta 100 28 TSSOP TDA5100 Emisor 868 a 870 ASK/FSK 2,1 a 4V /+4dBm Hasta 100 16 TSSOP TDA5200 Receptor 434 - 868 ASK 5V -107 dBm Hasta 4 28 TSSOP TDK5100 Emisor 434 – 868 ASK/FSK TDK5101 Emisor 433 - 435 ASK/FSK TDA5210 Receptor 434 – 868 ASK/FSK 5V -107 dBm Hasta 100 28 TSSOP TDK5110 Emisor 434 – 868 ASK/FSK TDK5119F Emisor 433 a 435 ASK/FSK TDA5220 Receptor 434 - 868 ASK/FSK 5V -107 dBm Hasta 4 28 TSSOP TDA5230 Receptor 302 a 870 ASK/FSK 3V a 5V -108 dBm Hasta 20 28 TSSOP TDK5116F Emisor 866 a 870 ASK/FSK TDA5250 Emisor/Receptor 868 a 870 ASK/FSK 2,1 a 5,5V -109 dBm/ +13 dBm Hasta 64 38 TSSOP TDA5255 Emisor/Receptor 433 a 435 ASK/FSK 2,1 a 5,5V -109 dBm/ +13 dBm Hasta 100 38 TSSOP

Todos estos circuitos necesitan muy pocos componentes externos como se puede ver en el trazado de las pistas del circuito impreso siguiente:

Para más información Wireless RF de Infineon: http://www.infineon.com


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Solución <1GHz de Texas Instruments Texas Instruments adquirió Chipcon y así ha completado su gama de productos en la banda de ISM, con transmisores por debajo de 1GHz y a 2,4GHz que se verán más adelante. Esta familia de Chipcon CC11xx aventaja en tecnología a la familia TRFxxx con frecuencias de trabajo de 315/433/868/915 MHz y multicanal, todos ellos de muy bajo consumo que se acoplan perfectamente con la familia de microcontroladores de muy bajo consumo MSP430 con una comunicación SPI, alimentados de 1,8V a 3,6V. Con pocos componentes externos y con salida RSSI

Texas Instruments

Frecuencia MHz Kbps Tipo de

Modulación

Consumo Standby

(uA)

Consumo Rx/Tx

mA Voltaje

Potencia/ Sensib.

Encap.

Tipo

CC1000 315/433/868/915

76.8 FSK/OOK 7.4 / 10.4

2.1 – 3.6 -20 a +10/ -110dBm

28 TSSOP

Emisor/Receptor RSSI

CC1010 315/433/868/915

76.8 FSK/OOK 23.9 / 25.2

2.7 – 3.6

-20 a +10/ -107dBm

64 TQFP Emisor + Micro C51 32KFlash RSSI

CC1020 402 a 470 804 a 940

153.6 FSK/GFSK/ OOK

19.9 / 19.9

2.3 – 3.6

-20 a +10/ -118dBm

32 QFN Emisor /Receptor RSSI digital

CC1021 402 a 470 804 a 940

153.6 FSK/GFSK/ OOK

19.9 / 19.9

2.1 – 3.6

-20 a +10/ -109dBm

32 QFN Emisor /Receptor RSSI digital

CC1070 402 a 470 804 a 940

153.6 FSK/GFSK/ OOK

19.9 / 20.5

2.3 – 3.6

-20 a +10

20 QFN Emisor

CC1050 315/433/868/

915 76.8 FSK/OOK 9.1 2.1 – 3.6 -20 a +12 24

TSSOP Emisor

CC1100 315/433/868/915 500 FSK/OOK/MSK

/GFSK 0.4 14/16 1.8 – 3.6 -30 a +10/ -110 dBm

20 QFN Emisor/Receptor

CC1101 315/433/868/915 500 FSK/OOK/MSK

/GFSK 0.2 14.7/15 1.8 – 3.6 -30 a +10/ -111 dBm

20 QLP Emisor/Receptor

RSSI Digital

CC1150 315/433/868/915

500 FSK/OOK/MSK/GFSK 15,.9 1.8 – 3.6 -30 a +10 16 QLP Emisor

CC1110F8 315/433/868/915 500 FSK/OOK/MSK

/GFSK 0.3 17/31 2 – 3.6 -30 a +10/ -110 dBm

36 QFN Emisor/Receptor + Micro C51 8K

CC1110F16 315/433/868/915 500 FSK/OOK/MSK

/GFSK 0,3 17/31 2 – 3.6 -30 a +10/ -110 dBm


CC1110F32 315/433/868/915 500 FSK/OOK/MSK

/GFSK 0,3 17/31 2 – 3.6 -30 a +10/ -110 dBm


CC1111F8 315/433/868/915 500 FSK/OOK/MSK

/GFSK 0,3 18,9/16 3 – 3.6 -30 a +10/ -110 dBm

36 QFN Emisor/Receptor + Micro C51 8K USB full speed

CC1111F16 315/433/868/915 500 FSK/OOK/MSK

/GFSK 0,3 18,9/16 3 – 3.6 -30 a +10/ -110 dBm


CC1111F32 315/433/868/915 500 FSK/OOK/MSK

/GFSK 0,3 18,9/16 3 – 3.6 -30 a +10/ -110 dBm



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Esta familia CC11xx mejora mucho en precio, pocos componentes externos, encapsulados muy pequeños, muy bajo consumo, incluye en el chip un potente manipulador de paquetes de datos que permite utilizar un microcontrolador externo muy económico, descargando a la CPU de todo este trabajo. Además se le puede programar la frecuencia de trabajo, el tipo de modulación, la velocidad de transmisión, el formato de paquete de datos, la potencia de salida y el ancho de banda del receptor.

Otra ventaja de esta familia es que puede coexistir con otras instalaciones inalámbricas ya que usan el denominado CCA (Clear Channel Assesment) por hardware, que funciona de la siguiente manera: antes de transmitir el dispositivo mira si el canal está ocupado y con la tecnología de espectro expandido por salto de frecuencias (FHSS o Frequency Hopping Spread Spectrum), .

– En un sistema FHSS el transmisor y el receptor salta en frecuencia sincronizadamente. La secuencia de salto será pseudos-aleatoria cubriendo un largo número de frecuencias (canales).

– Uno de los problemas más difíciles de solucionar cuando se trabaja con salto de frecuencia es sincronizar el transmisor y el receptor.

Para facilitar el diseño se ofrecen diseños de referencia completos en la página web de Texas Instruments, así como placas de evaluación y software. La familia CC1110 añade un microcontrolador con 8, 16 y 32K de Flash y núcleo C51, y la familia CC1111 además del mico añade USB.

Para más información Wireless RF de Texas Instruments: http://www.ti.com


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Solución <1GHz de Microchip Microchip tiene dispositivos tanto en la banda de 434 como en 2,4GHz su gama de productos. En UHF con dos dispositivos transmisores con 18 y 20 pines integrados en un microcontrolador de la familia PIC12Cxxx con Eeprom interna o los rfHCS362 con microcontrolador con Flash interna, así como emisores y receptores, algunos de ellos incorporan la tecnología KEELOQ® que se basa en codificación por salto de código, para autentificación, dedicado para aplicaciones de control remoto de alta seguridad, como abre puertas. Es un proceso de cifrado, para la encriptación de la información del telecomando, ya sea por un medio de radiofrecuencia o por infrarrojos.

Microchip Tipo Banda (MHz) Modulación Alimentación Sensibilidad /Potencia

Velocidad kbps

Encapsulado

rfPIC12C509AG Emisor 310 a 480 ASK 2,7 a 5V /Hasta +2 dBm Hasta 40 18 SOIC rfPIC12C509AF Emisor 310 a 480 ASK/FSK 2,7 a 5V /Hasta +2 dBm Hasta 40 20 TSSOP rfPIC12F675K Emisor 290 a 350 ASK/FSK 2 a 5V / Hasta +6 dBm Hasta 40 20 SSOP rfPIC12F675F Emisor 380 a 450 ASK/FSK 2 a 5V / Hasta +6 dBm Hasta 40 20 SSOP rfPIC12F675H Emisor 850 a 930 ASK/FSK 2 a 5V / Hasta +6 dBm Hasta 40 20 SSOP rfRXD0420 Receptor 300 a 450 ASK/FSK/FM 2,5 a 5V -111 dBm/ Hasta 80 32 LQFP rfRXD0920 Receptor 800 a 930 ASK/FSK/FM 2,5 a 5V -109 dBm/ Hasta 80 32 LQFP rfHCS362G (KeeLoq)

Emisor 310 a 440 ASK 2,2 a 5,5V /Hasta +2dBm Hasta 3 18 SOIC

rfHCS362F (KeeLoq)

Emisor 310 a 440 ASK/FSK 2,2 a 5,5V /Hasta +2dBm Hasta 3 20 SSOP

KeeLoq: KeeLoq es un proceso de cifrado o encriptación de la información de telecomando que se puede usar con cualquier tipo de mando a distancia, bien sea vía infrarrojos o RF. Cada vez que se transmite una actuación, se envía una trama de datos digitales formada por 66 bits.

Trama de datos Keeloq

• 32 bits cifrados formados por un código de salto generado por un algoritmo no lineal: el algoritmo KeeLoq • 34 bits de código fijo formados por 28 bits que representan el número de serie del codificador y 6 bits de estado,

formados a su vez por 4 bits de función, indicando el estado de los pulsadores y 2 bits de CRC (código de redundancia cíclica) que sirven para verificar que el resto de los datos ha llegado correctamente.

En los sistemas simples de mando a distancia hay dos formas clásicas de conseguir accesos no autorizados: el escaneado de códigos y el robo de códigos. Escaneado de códigos: Muchos sistemas de acceso utilizan un código único y fijo de 8 bits. Cada vez que se quiere abrir una puerta se envía ese código fijo. Con ocho bits, se consiguen sólo 28 = 256 combinaciones. Si al receptor le llega el código de apertura, siempre el mismo, procederá a abrir. Todos los transmisores utilizan un rango de frecuencia estandarizado, el establecido por la normativa del país. Es muy fácil construir un transmisor que probando todas las combinaciones posibles acierte rápidamente con el código correcto. Si el transmisor prueba 8 códigos por segundo, en 32 segundos, como mucho, habrá conseguido abrir la puerta. Con 16 bits de código, podrían tardarse hasta dos horas y media (216 = 65536 códigos). Con 66 bits se alcanzan 7'3 x 1019 códigos. Se tardarían millones de años en probar todas las combinaciones. La primera medida de seguridad del sistema KeeLoq es, por tanto, usar una longitud de código suficientemente larga como para evitar el escaneado de códigos. Robo de código: Con un receptor que guarde el código enviado por un transmisor por radio o por infrarrojos se puede conseguir el código y tener acceso fácilmente. Sólo hace falta esperar que alguien con acceso autorizado abra y robarle el código escuchando su transmisor.


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El sistema de salto de código KeeLoq nunca transmite dos veces el mismo código, ni siquiera en dos veces su propio tiempo de vida. Cada vez que se pulsa el botón de transmisión se envía un código diferente. Los códigos parecen aleatorios, no hay relación aparente entre dos códigos seguidos. El robo de códigos nunca funcionará. Los circuitos de las familias HCS200, HCS300, HCS301 y HCS360 de Microchip como codificadores y el HCS500 y otros como decodificadores permiten hasta 15 funciones de comandos diferentes. Sólo se necesita añadirles la pila, los botones y el sistema de transmisión por radio o por infrarrojos. Incorporan dentro del chip una memoria EEPROM en la que se almacenan los códigos y las claves, pero que es imposible leer desde cualquier medio externo. En el caso de que la batería del transmisor llegue a una tensión peligrosamente baja, se transmite un bit más, avisando así que necesita sustitución o recarga. En este caso se genera un código de transmisión de 67 bits en lugar de los 66 habituales. Cómo funciona el transmisor: El valor de un contador de sincronización de 16 bits se incrementa en cada transmisión al pulsar cualquier botón. Este valor del contador se combina con la clave por medio del algoritmo de cifrado no lineal KeeLoq. Se trata de un complejo algoritmo hace que el cambio de un solo bit en uno de los parámetros de entrada genere un gran cambio en los resultados de salida. El número de serie es único en cada transmisor y lo identifica como un sistema conocido. El estado de los botones indica qué botón o combinación de botones se ha pulsado. El código de control lo forman 2 bits que permiten identificar si la secuencia completa reciba es correcta. Usa un algoritmo CRC (Código de Redundancia Cíclica, muy usado en comunicaciones) Si este sistema identifica que la secuencia recibida no es correcta a causa de ruidos o interferencias, el decodificador la rechaza. Además puede llevar un bit más de identificación de batería baja. Cómo funciona el receptor: El decodificador recibe unos datos válidos, el CRC los identifica como datos correctos. El número de serie del transmisor coincide con uno conocido. Combinando los datos cifrados recibidos con la clave almacenada se deduce el valor del contador de sincronización. Si el valor del contador cae dentro del rango válido para ese transmisor, aceptará los comandos establecidos por la combinación de botones. El HCS500 dispone de siete ranuras de memoria para almacenar los códigos de siete transmisores diferentes. El contador de sincronización: El valor de sincronización es un contador binario de 16 bits. Con 16 bits (216) permite 65536 valores diferentes. El decodificador guarda el valor actual del contador de sincronización de cada transmisor. Si el valor recibido para un determinado transmisor coincide con el almacenado en el decodificador o con alguno de los 15 siguientes, reconoce el comando como válido. Si el valor recibido no está en la ventana de operación simple, pero sí en la ventana de operación doble, entonces se almacena el valor recibido en un registro temporal y espera otra transmisión. Cuando recibe un nuevo código del mismo transmisor, se compara con el valor almacenado en el registro temporal. Si los dos valores son consecutivos, aunque el transmisor se ha escapado de la ventana simple, vuelve a estar sincronizado, entonces almacena el nuevo valor del contador de sincronismo y ejecuta el comando. Si un transmisor se ha escapado de la ventana de operación doble ya no funcionará. Será preciso que el decodificador vuelva a reconocerlo en modo aprendizaje. Todas las ventanas rotan cada vez que se recibe una transmisión válida. Esto hace que los valores ya usados estén en la ventana bloqueada y ya no sean válidos, protegiendo así contra el robo de códigos.


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Cómo se genera la clave: Para que funcione este sistema, el decodificador debe conocer los valores de cada transmisor y tenerlos almacenados y actualizados en su memoria. Existe, por tanto, un proceso de aprendizaje por parte del decodificador. Para esto hay que poner el decodificador en modo aprendizaje. El decodificador debe aprender, por cada transmisor, los siguientes datos:

1. El número de serie único de cada transmisor 2. El valor del contador de sincronización 3. La clave de encriptación 4. El código del fabricante

Aprendizaje del decodificador: Hay varios métodos para que el receptor aprenda los valores de cada transmisor. Cada método tiene su nivel de seguridad y una facilidad diferente que depende del sistema usado para generar la clave del transmisor. Método normal: Derivado del número de serie. Se pone el receptor en modo aprendizaje. Al recibir una transmisión normal deduce la clave partiendo de:

1. Número de serie que recibe del transmisor. 2. Clave única de cada fabricante, que debe conocer puesto que la lleva grabada. 3. Algoritmo KeeLoq que lleva programado.

La relación entre el número de serie y la clave es muy compleja, no evidente para extraños. El decodificador guarda esta clave después de comprobar que en una segunda transmisión decodifica un número de secuencia consecutivo. El aprendizaje es: • sencillo, sólo requiere poner el receptor en modo aprendizaje y activar dos veces el transmisor • seguro mientras se mantengan secretos:

o el algoritmo o proceso KeeLoq o la clave del fabricante, única para todos sus sistemas

Pero alguien que conozca el algoritmo y la clave del fabricante será capaz de saltarse la seguridad tras interceptar una transmisión, puesto que del número de serie, que llega en claro, deduce la clave del transmisor, y con ésta el número de secuencia. Teniendo todos estos datos puede inmediatamente generar una secuencia de transmisión válida. Método seguro: Derivado de una semilla. No basa su seguridad ni en el secreto del algoritmo, ni en el secreto de la clave del fabricante. Para un extraño que conozca el algoritmo, las transmisiones seguirán siendo incomprensibles si no conoce la clave del transmisor. Según Microchip, determinar la clave analizando las transmisiones no es factible. Se necesitaría un ordenador muy potente y mucho tiempo de proceso para deducir la clave de un solo transmisor. Claro que esto es cada vez menos cierto dado el avance de la informática. En el momento de su fabricación se programa en cada transmisor: • un número de serie una semilla una clave propia • la clave del fabricante No hay relación entre el número de serie y la clave. Hay una relación muy compleja, pero fija, entre la semilla y la clave. Durante el aprendizaje del receptor, el transmisor envía la semilla al efectuar en él una operación especial. Nunca se transmite la semilla en una operación normal del transmisor. Si se desea, se puede programar al transmisor para que, después de un determinado número de operaciones, jamás pueda volver a transmitir la semilla. Cuando el decodificador, puesto en modo aprendizaje, recibe la semilla desde el transmisor, deduce la clave usando el algoritmo KeeLoq. Como nunca mas se transmitirá la semilla, no hay peligro de que nadie deduzca nunca la clave. Para más información: http://www.ecojoven.com/uno/03/keeloq.html Juan Carlos Llamazares


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Solución de Maxim <1GHz

Maxim ofrece una serie de productos RF en la banda ISM desde 300 hasta 900MHz con diferencias importantes frente a otros, alta sensibilidad en recepción (-115dBm en modulación ASK y -110dBm en modulación FSK). Potencias de salida hasta +13dBm), muy bajo consumo (5,3mA en transmisión con +10dBm y 50% de ciclo de servicio y 5,2mA en recepción).

Receptores 300-450MHz: MAX1470: -112dBm ASK 3.3V MAX1473: -114dBm ASK 3.3V/5V (28 TSSOP o 32 QFN) MAX7033: -114dBm ASK 3.3V/5V con AGC-Hold MAX1471: -114/-108dBm ASK/FSK 32 QFN MAX7042: -110dBm FSK 3.3V/5V 32 QFN MAX7034: -114dBm ASK 5V (Compatible pin a pin con MAX1473, MAX7033) 32 pins MAX7036: -105dBm ASK Alta Integración 3V/5V 20 pins Emisores 300-450MHz: MAX1472: -10 a +10dBm ASK/OOK 2,1V a 3,6V 8 SOT MAX7044: -10 a +13dBm ASK con Clock-out 2,1V a 3,6V 8 SOT MAX1479: +10dBm ASK/FSK 16 QFN MAX7057: 2,1V a 3,6V 16 SOIC MAX7058: 2,1V a 3,6V (315-390MHz) 16 QFN Transmisores para control remoto bidireccional: MAX7030: 315MHz/345MHz/433.92MHz ASK con las mismas ventajas del MAX7032 MAX7031: 308MHz/315MHz/433.92MHz FSK con las mismas ventajas del MAX7032 MAX7032: 300-450MHz -114/-110dBm ASK/FSK, +10dBm. 3V a 5V con control SPI 32 QFN MAX7034: 300-450MHz -114/ ASK 5V 28 TSSOP Maxim con el receptor superheterodino MAX7034 de muy bajo consumo con modulación ASK en la banda de frecuencia desde 300MHz a 450MHz. Sólo requiere algunos componentes para poner en práctica una solución completa, este dispositivo integra un LNA, el mezclador de rechazo de imagen, el bloque PLL, un filtro de IF a 10.7MHz con RSSI, y un circuito recuperación de datos de banda base, asegurando una excelente sensibilidad de recepción y han sido diseñados para soportar altas temperaturas. Proporcionando alta sensibilidad -114dbm, el MAX7034 es ideal para usos como control remoto, alarmas de coche, sistemas de seguridad, mandos a distancia y abre puertas de garaje.


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2.1.2 Wireless RF por encima de 1GHz. Bandas ISM (segunda parte). Estos sistemas no utilizan ningún protocolo estándar, al igual que los que están por debajo de 1GHz. Realmente se podrían incluir todos juntos, pero se mantienen por separado porque los transmisores de son diferentes, la mayor diferencia está en la distancia de trabajo, como mayor es la frecuencia de trabajo menor es la distancia de trabajo, por el contrario, en esta banda se puede trabajar en todo el mundo y se puede trabajar a mayor velocidad de transmisión, además permite mayor número de canales. Solución 2.4GHz de Freescale

Freescale con sus circuitos para comunicaciones inalámbricas, conjuntamente con los microcontroladores de muy bajo consumo de 8 bits de la familia S08, permiten implementar comunicaciones punto a punto, punto a multipunto. Freescale aprovecha la familia de transmisores de Zigbee para poder trabajar sin ningún protocolo estándar en la banda de 2.4GHz con la familia de transmisor-receptor MC1319x, la siguiente familia MC1320x que incluye el conmutador de antena interno, pueden ser conectados a cualquier microcontrolador S08 de muy bajo consumo de Freescale.

Solución de dos chips Solución SiP

La familia se ha ampliado transmisores que incluyen el conmutador de antena, mejoras de sensibilidad e

incluye microcontrolador S08 (familia MC1321x).

Comp. Ext.

Interface Sensibilidad Potencia de salida Alimentación Rango de temperatura

Encapsulado

MC13191 MC13192 (Z)

17 SPI -92 dBm -27 dBm a +4 dBm 2.0 a 3.4 V

-40º a +85ºC

32-pin QFN

MC13201 15 SPI -92 dBm -27 dBm a +4 dBm 2.0 a 3.4 V

-40º a +85ºC

32-pin QFN

MC1321x 14 Micro S08 hasta 60K

-92 dBm -27 dBm a +4 dBm 2.0 a 3.4 V -40º a +85ºC 64-pin LGA

MC1322x 0 Micro ARM 128K

-96 dBm -30 dBm a + 5dBm 1.8 a 3.6 V -40ºC a + 105ºC

81-pin LGA


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Freescale con la tercera generación de dispositivos Zigbee presenta el nuevo transceptor de 2,4GHz con un ARM7 TDMI de 32 bits a 26MHz, llamado PIP (Platform In a Package) es decir sin componentes externos, con mucho menor consumo, incluye 80K de ROM con 802.15.4, 96K SRAM, UART, I2C, I2S, SPI, KBI, 8 canales ADC de 12 bits, 4 timers de 16 bits, 64 I/O, y los 128K de Flash quedan libres para la aplicación del usuario. 250kbps y 2Mbps

BalunTX/RXSwitchTX/RXSwitch

AnalogTX

AnalogRX

TXModem

RXModem

DigitalModem

802.15.4MAC

Accelerator(MACA)

802.15.4MAC

Accelerator(MACA)

IEEE® 802.15.4 Transceiver

AdvancedSecurityModule(ASM)


SPIFLASHModule(SPIF)

128 KBSerial

FLASH

128 KBSerial

FLASH

AnalogPower

Management&

VoltageRegulation

AnalogPower

Management&

VoltageRegulation

RFOscillator/PLL

&Clock Generation

24 MHz (Typical) 32.768 KHz (Optional)

Clock &Reset

Module(CRM)

ARM7TDMI-S32-bitCPU

ARM7TDMI-S32-bitCPU

BusInterface &

MemoryArbitrator

BusInterface &

MemoryArbitrator

ARMInterrupt

Controller(AITC)

ARMInterrupt

Controller(AITC)

CPU Complex

80 KBROM80 KBROM

MC1322X Block Diagram

SCI/UARTModule

SCI/UARTModule

SCI/UARTModule

SCI/UARTModule

SSI/I2SModuleSSI/I2SModule

I2CModule

I2CModule

KeyboardInterfaceKeyboardInterface

SPIInterface

SPIInterface

GPIOControlGPIO

Control

TimerModuleTimer

Module

Up

to 6

4 G

PIO

Up

to 6

4 G

PIO

BatteryMonitorBatteryMonitor

Dat

a &

Add

ress

Bus

es

12-bitADC

12-bitADC

12-bitADC12-bitADC

12-bitADC12-bitADC

JTAG & Nexus

JTAG & Nexus

96 KBRAM96 KBRAM

BuckConverter

BuckConverter


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Solución 2.4GHz de Texas Instruments Texas Instruments adquirió Chipcon para completar su gama de productos inalámbricos incluyendo los Zigbee, con el transmisor CC2420 con muy pocos componentes, no necesita ni conmutador de antena ni filtro, con grandes prestaciones y con bajo consumo, potencia de salida programable y alta sensibilidad (-94dBm). Tienen soporte RSSI (Received Signal Strength Indicator)/LQI digital.

De estos productos, algunos, están caracterizados para 802.15.4/Zigbee (marcados con Z), pero también se

pueden usar en cualquier instalación, mientras que los no caracterizados no se pueden usar en Zigbee evidentemente. kbps

Modulación Voltaje Consumo

Rx/Tx (mA)

Tipo Potencia / Sensibilidad

Encap.

CC2500 500 1.8 a 3.6 12.8 / 21,6 Emisor/Receptor RSSI digital

-20 a 1 / -99 dBm

20 QLP

CC2550 500 1.8 a 3.6 22,8 Emisor -20 a 1 16 QLP

CC2510F8 500 2-FSK/ GFSK / MSK

2 a 3.6 22 / 23 Emisor/ Receptor + Micro C52 8K RSSI digital

-20 a 1 / -105 dBm

36 QFN



-20 a 1 / -105 dBm

36 QFN



-20 a 1 / -105 dBm

36 QFN


2 a 3.6 22 / 23 Emisor/ Receptor + Micro C51 8K USB RSSI digital

-20 a 1 / -105 dBm

36 QLP



-20 a 1 / -105 dBm

36 QLP

CC2511F32

500 2-FSK/ GFSK / MSK


-20 a 1 / -105 dBm

36 QLP

CC2400 (Z) 1000 GFSK / MSK

1.6 a 2 24 / 19 Emisor/Receptor RSSI digital

-25 a 0 / -101 dBm

48 QFN

CC2420 (Z) 250 DSSS 2.1 a 3.6 19.7 / 17.4 Emisor/Receptor RSSI digital

-25 a 0 / -94 dBm

48 QLP

CC2520 (Z) 250 DSSS 1.8 / 3.8 18,5 / 25.8 Emisor/Receptor RSSI digital

-20 a +5 / -98 bBm

48 QLP

CC2430 (Z) CC2431 (Z)

250 DSSS 2 a 3.6 27 / 27 Emisor/Receptor + Micro C51 (32, 64 128K) RSSI digital

-24 a 0 / -96 dBm

48 QLP

CC2530 (Z) CC2531 (Z)

250 DSSS 2 a 3.6 27 / 27 Emisor/Receptor + Micro C51 (32, 64 128, 256K) RSSI digital

-25 a 5 / -97 dBm

40 QFN

El CC2430/2530 es un circuito de muy bajo consumo que incluye el transmisor CC2420 y un microcontrolador basado en el núcleo 8051 32MHz, con 32/64/128K de Flash, 8K SRAM, 4K para guardar datos, y los periféricos más indispensables (8 canales ADC de 14 bits, 2 UART, Timers, etc…) funcionalidad DMA, monitor de batería, sensor de temperatura, alimentación de 2 a 3,6V. Los CC2431/2531 son pin a pin compatibles con CC2430/2530 pero añaden la funcionalidad de “localización”. Los CC2520/30/31 son la nueva generación del los CC2420/30/31.


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Estos dispositivos están soportados con placas de evaluación SmartRF04EB y módulos satélites (por ejemplo CC2430DB) SmartRF04EB CC2430DB El software ofrecido con SmartRF04EB es el SmartRF Studio con el control total de los registros del sistema y con ejemplos prácticos. El CC2590/91 es un front-end RF que da una potencia de salida hasta +11/+20dBm y mejora la sensibilidad de entrada hasta 6bB para conectarse a las familias CC24xx, CC25xx. El CC2591 es solo para USA, por potencia.

Para mayor información http://www.ti.com/simpliciti http://ww.ti.com/ccmsplib http://ww.ti.com/msp430 http://www.ti.com/lprf SimpliciTI Si se requiere hacer una red, pero no se requiere toda la operatividad y complejidad de Zigbee se puede usar un protocolo propietario de Texas que se ofrece gratuitamente desde http://www.ti.com/simpliciti el programa SimpliciTI que permite configurar desde un simple punto a punto hasta una red en estrella o una comunicación P2P con repetidores, generando el código para ser usado con los transmisores CC2xxx y los microcontroladores de muy bajo consumo de Texas (familia MSP430), o con los SoC CC2xxx. Utilizando las ventajas del modo “sleeping” y usando solamente <4KFlash de programa y <512K SRAM para datos, que permite tener un sistema de muy bajo coste. SimpliciTI soporta aplicaciones de alarma y seguridad, contadores (energía, gas y agua), automatización de una casa (control remoto de puertas, electrodomésticos), y más...Permite hasta 30 nodos, ofrece el código fuente y permite encriptación 128 bits AES. El rango de la red se puede ampliar con repetidores. Los círculos representan el rango del punto de acceso, y el rango de los repetidores.

Placa: MSP-EXP430FG4618

SmartRF04EB CC2430EM

CC2430DB


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Solución 2.4GHz de Cypress Cypress empezó con soluciones RF a 2,4GHz para el mercado del PC y el USB, y refleja varias características que lo hacen diferencial frente a otros competidores como el muy bajo consumo, inmune a interferencias, generación de CRC, auto secuenciador de transacciones, empaquetado de datos y control de energía integrado. Además cuando detecta fuertes interferencias (por aumento de la tasa de errores o detectando una señal indeseada usando el indicador RSSI, automáticamente puede localizar un canal libre.

La ventaja de esta tecnología, es que ha entrado en el mercado de consumo (como ratones, teclados, joysticks,...), para seguir con el mercado industrial a un costo muy bajo, para aplicaciones punto a punto o punto a multipunto. De hecho se trata de una interfaz SPI, que empaqueta los datos entrantes vía SPI y los prepara para transmitirlos a 2,4 GHz. El usuario no tiene que preocuparse de codificar, decodificar paquetes o manejar los errores, así como de preparar el enlace de radio.

Cypress ofrece al usuario una variedad de opciones desde la transmisión simple entre dos dispositivos o entre un dispositivo master y varios esclavos en comunicación bidireccional. Dependiendo del rango, potencia y requisitos de la configuración, el diseñador también puede escoger tres anchos de banda seleccionables 16, 32 o 64kpbs. La distancia normal de trabajo está sobre los 10 metros. Con el dispositivo CYWUSB6934 y con el CYWUSB6935 llega a los 50 metros.

Este dispositivo necesita muy pocos componentes externos, un cristal de 13MHz de bajo costo (50ppm) y la

antena en el propio circuito impreso. No necesita ningún software especial, no necesita pagar “royalties” del stack, y ningún proceso de certificación. Si se le añade el circuito de Cypress CY8C26643 se puede tener la comunicación USB.

También Cypress proporciona módulos completamente montados y precertificados por FCC, ETSI y marcados CE para no implicarse en diseños en RF y poder salir al mercado lo antes posible, con los módulos CYWM6934, CYWM6935 con la antena integrada o con el módulo de largo alcance +17dBm por medio de un amplificador integrado y un conector para la antena externa.

CYWM6934 (10m) CYWM6935 (50m) CYWM6935PAEC (500m)


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CyFi Cypress presenta una solución llamada CyFi a 2.4GHz optimizada para control embebido con un microcontrolador PSoc y un transmisor con DSSS, con un protocolo fácil de usar para una red en estrella y con un control de consumo optimizado. La solución RF de bajo consumo CyFi es sumamente confiable, fácil de usar a 2.4 GHz dentro de una amplia gama de aplicaciones. Permite a los diseñadores crear sistemas inalámbricos sin tener que pasar por los riesgos típicos de funcionamiento no fiable, puesta en práctica compleja y consumo alto. Combinando el PSoC programable del Cypress, un sofisticado protocolo de red, aún que sea muy ligero, y un transceptor DSSS, la solución CyFi alcanza los niveles de fiabilidad, simplicidad y eficacia incomparable a otras tecnologías integradas inalámbricas. La transmisión confiable es un desafío clave en cualquier sistema inalámbrico. Las redes CyFi varían el canal de trabajo dinámicamente, la velocidad de transmisión y la potencia de salida en tiempo real para mantener comunicaciones confiables en presencia de interferencias. Esto proporciona al diseñador las ventajas de usar la banda ISM de 2.4 GHz (de aceptación mundial) sin las trampas de fiabilidad comúnmente asociadas con otras tecnologías de RF en esta banda tan repleta (bluetooth, zigbee, wlan…..) La combinación de la modulación DSSS, la agilidad por la frecuencia de trabajo y un sofisticado algoritmo de manejo del enlace, CyFi da la confiabilidad de RF a muy bajo consumo que es incomparable por cualquier otra tecnología inalámbrica a 2.4 GHz. Inmunidad a las interferencias con la tecnología DSSS El Espectro expandido por secuencia directa (DSSS) es una tecnología de transmisión de radio que esencialmente aplica un robusto esquema de corrección de errores a los datos en tránsito para reducir al mínimo el efecto de pérdida de datos debido a las interferencias de señal. Expresamente, DSSS codifica un conjunto de datos en un flujo de bits más grande, llamados (“chips”). Como se puede ver en la figura, la solución CyFi codifica 8 bits de datos en 32 “chips”. Estos “chips” se modulan en la señal de RF y se transmite. El receptor desmodula los “chips” de la señal recibida y luego invierte el esquema de codificación DSSS. Incluso con errores de desmodulación, debido al ruido de señal o las interferencias, todavía los datos originales pueden ser recuperados. Esta técnica asegura las comunicaciones sin la necesidad de nuevas transmisiones, debido a las interferencias, es una doble ventaja de comunicaciones confiables y una ayuda a la eficacia del consumo de energía. Fiabilidad por la agilidad de la frecuencia de trabajo Para evitar las interferencias, el salto de canal (hopping) es una técnica compleja de movimiento alrededor del espectro de RF disponible. Algunas tecnologías están diseñadas para que constantemente salten después de un algoritmo establecido y compartido, mientras que otras sólo saltan si es necesario o cuando hay interferencias o es muy alto el ruido de la señal. La solución CyFi emplea la técnica última y reduce al mínimo el movimiento alrededor del espectro excepto cuando es absolutamente necesario. Este método previene saltos innecesarios y mejora el funcionamiento y el consumo de energía. Además, con canales de sólo 1 MHz de ancho, la solución CyFi puede evitar fácilmente tecnologías típicas de banda ancha como las redes de 802.11b/g/n con 80 diferentes canales u otras tecnologías como 802.15.4.


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La solución CyFi ofrece un nivel revolucionario de simplicidad en el diseño de RF. El stack de protocolo de red en estrella CyFi está encapsulado en un firmware como módulo de usuario dentro del PSoC Designer de Cypress, con una biblioteca versátil y una completa librería API que permite literalmente copiar y pegar el diseño. Estableciendo la red, con una transmisión y recepción de datos fidedigna, con unas pocas llamadas de simples API. El stack CyFi ocupa menos de 6 kbytes de espacio de código para un nodo y menos de 8 kbytes para un “hub”. Esto deja libre más espacio para construir el sistema completo inalámbrico integrado en un solo dispositivo PSOC de coste reducido. Además de muy baja actividad y el modo dormido, la solución CyFi mejora mucho el bajo consumo. Las redes CyFi reducen al mínimo los períodos de picos de consumo y aprovechan al máximo el modo dormido. En algunos casos, lo que significa es la transmisión de datos tan rápido como sea posible. En otros, significa permitir que la modulación DSSS, y posiblemente el aumento de la potencia de salida RF, para eliminar la necesidad de retransmisiones. Las redes CyFi automáticamente toman estas decisiones en tiempo real y son los únicos en hacerlo con la tecnología de baja potencia de RF. Un nodo CyFi alimentado con batería que está cerca del hub de la red, reduce su potencia de salida RF para bajar al mínimo el consumo. Esto asegura que siempre usará exactamente la energía necesaria para transmitir datos, y no más. La solución CyFi aprovecha en última instancia la fiabilidad de reducir al mínimo el costoso de tiempo al aire y por lo tanto, el modo dormido más reduciendo sistemáticamente su consumo global de energía. Una completa solución RF en tan sólo dos chips El PSoC de Cypress programable combina dinámicamente configurables bloques analógicos y digitales en una MCU de 8 bits. Junto con las herramientas de desarrollo software de desarrollo de software y equipos, que forman el sector más completa solución para sistemas embebidos. Además, es un PSoC se una solución ventajosa en CyFi debido a su flexibilidad, integración y circuitería analógica configurable y programable, que permiten redes de sensores inalámbricos.


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Propuesta 2.4GHz de Microchip Microchip ofrece una solución basada en sus microcontroladores y un protocolo propietario llamado Miwi™.

Miwi™ (Microchip wireless) es un protocolo inalámbrico simple, para redes de área personal basado en el estándar IEEE 802.15.4 que engloba las redes de área personal con tasas bajas de transmisión de datos (low-rate wireless personal area network, LR-WPAN).

Está dirigido a dispositivos y redes de bajo coste, que no necesitan una alta transferencia de datos (250Kbit/s), a corta distancia (100 metros sin obstáculos), y con un consumo energético mínimo. Desarrollado por Microchip Technology, se trata de un proyecto de código abierto, con la única limitación de la obligación de utilizar microcontroladores de Microchip Technology y su transceptor MRF24J40. Está dentro del espectro de los 2,4Ghz a través de su transceptor MRF24J40 y es compatible con todos los dispositivos IEEE 802.15.4, como el Zigbee. Características: Tiene una tasa de transferencia de 250 kbit/s (según IEEE 802.15.4). Su topología es capaz de formar redes punto a punto, en estrella o en malla, según IEEE 802.15.4 puede tener 8 coordinadores como máximo por red, y cada uno de éstos 127 hijos, haciendo un total de 1024 de nodos por red. Miwi ocupa unos 16K de programa en un coordinador o router y un punto final entre 2 y 8K.

Ventajas y Desventajas frente a Zigbee: Miwi™, al ser de código abierto, no necesita pagar licencias, ofreciendo así un coste menor y facilidad de implementación. Sin embargo, no tiene la misma capacidad de infraestructura, estando más limitado en el número de nodos; Miwi™ con 1024 nodos como máximo por red, frente a los 64000 de Zigbee. Otra limitación es la restricción a utilizar microcontroladores y transceptores de Microchip. Transmisor MRF24J40 - Cumple con la especificación IEEE 802.15.4 - Soporta los protocolos MiWi™, ZigBee™ - Interface SPI - Oscilador integrado (20 MHz y 32.768 kHz) - Salida de clock de referencia de 20 MHz: - Disponible para un microcontrolador - Modo de bajo consumo - Consumo típico 18 mA en Rx y 22 mA en Tx - Consumo en modo Sleep 2 µA - Encapsulado en 40 pins QFN 6x6mm Microchip también ofrece un analizador de red de bajo coste, denominado Zena DM183023 que sirve para tanto Zigbee y Miwi, compuesto por un “sniffer” y el software para PC con un interface gráfico que permite ver el tráfico de tramas de un nodo a otro en tiempo real. Finalmente Microchip con el módulo transceptor MRF24J40MA con la antena integrada y certificado por la FCC (USA) y ETSI (Europa), permite a los usuarios tener una solución RF sin tener que diseñar un hardware especializado y sin tener ninguna experiencia en RF. Equipo de desarrollo DM163027 Para más información sobre Microchip: http://www.microchip.com/zigbee http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.15.4-2003.pdf https://standards.ieee.org/regauth/oui/forms/OUI-form.shtml


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2.2 Comunicaciones con Protocolo estándar 2.2.1 ZigBee IEEE 802.15.4 Iniciado por Philips, Honeywell, Invensys y seguido por Motorola (ahora Freescale), Mitsubishi y hasta 25 empresas para crear un sistema estándar de comunicaciones inalámbrico y bidireccional, para usarlo dentro de dispositivos de domótica, automatización de edificios (denominado inmótica), control industrial, periféricos de PC y sensores médicos. Los miembros de esta alianza justifican el desarrollo de este estándar para cubrir el vacío que se produce por debajo del Bluetooth. Puede transmitir con un simple protocolo de 20kB/s hasta 250Kbps trabajando a una frecuencia de 2,4GHz con la tecnología GSSS, bajo consumo y rangos entre 10 y 75 metros, aunque las condiciones físicas ambientales son las que determinan las distancias de trabajo.

Rango estimado en metros 0 dBm 10 dBm 20 dBm 250 kbps 13m 29m 66m 28 kbps 23m 54m 134m

IEEE 802.15.4 es un simple protocolo de paquetes de datos para redes inalámbricas ligeras. ZigBee, se conoce

con otros nombres como "HomeRF Lite", también puede usar las bandas libres ISM de 2,4 GHz, 868 MHz (Europa) y 915 MHz (EEUU). Una red ZigBee puede estar formada por hasta 255 nodos, los cuales tienen dormido el “transceiver” ZigBee la mayor parte del tiempo, para mantener un bajo consumo.

Las áreas de aplicación principales por lo que se ha creado Zigbee son:

• Automatización de Edificios: Control de alumbrado, Aire acondicionado, calefacción, Alarmas, Seguridad, Control de Energía.

• Lectura automática de aparatos de medida (Electricidad, agua, gas). • Automatización Industrial y redes de sensores. • Identificación activa por RF (RFID).

La idea de ponerle el nombre ZigBee vino de una colmena de abejas pululando

alrededor de su panal y comunicándose entre ellas.

Promotores de Zigbee: Eaton, Ember, Freescale, Honeywell, Huawei, Mitsubishi Electric, Freescale (antes Motorola), NXP (antes Philips), Samsung, Schneider Electric, Siemens, STMicro, Tendril y Texas Instruments/Chipcon.

ZigBee End Device (RFD or

ZigBee Router (FFD)

ZigBee Coordinator (FFD)

Mesh

Star


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Diagrama de bloques del Stack Zigbee En la figura siguiente se puede ver la arquitectura del “stack” software de ZigBee. Si se está familiarizado con

otros tipos de protocolos software de comunicaciones, se podrán ver algunos términos familiares: PHY para la capa física o hardware, y MAC para la capa de control de acceso al medio y NWK para la capa de red. La capa física de cualquier red define la modulación y la señalización características de la transmisión de datos.

ZigBee es más simple que muchos “stacks” del protocolo así que requiere menos código de software. El MAC

y PHY están definidos por el estándar IEEE 802.15.4. NWK y las capas de aplicación están definidas por la alianza ZigBee con el código de aplicación real será proporcionado por el diseñador del equipo. Fundamentos del estándar IEEE 802.15.4

Como se vio en la primera parte y como resumen, el IEEE 802.15.4 es un protocolo de paquete de datos simple para redes inalámbricas ligeras. Muchos de los aspectos de este diseño han sido usados durante muchos años en redes de radio paquetes. • Debido a que ZigBee se concentra en la baja transmisión de datos y representante de las aplicaciones de baja

transmisión de datos, como se dijo antes, CSMA está empleado para evitar interferencias. Simplemente, los dispositivos 802.15.4 escuchan antes de transmitir. Si hay una interferencia, el dispositivo espera un período de tiempo y vuelve otra vez o se traslada a otro canal.

• Hay 16 canales definidos en la banda de 2.4 GHz. El reconocimiento de mensaje está también disponible para la confiabilidad de la entrega de datos mejorada, y están disponibles las estructuras “beacon” (guía o baliza) para mejorar la latencia.

• El estándar IEEE 802.15.4 define múltiples niveles de seguridad. • El protocolo 802.15.4 está diseñado para la monitorización y para aplicaciones de control donde la duración de la

pila es importante. Características de 802.15.4 802.15.4 emplea ambos modos de direccionamiento largos y cortos. Los direccionamientos cortos se usan en control de redes donde identificadotes de red son asignados “ad-hoc” o peer-to-peer donde varios equipos forman una red de intercambio de información sin necesidad de elementos auxiliares. Esto permite usar requisitos de memoria reducidos, pero todavía admite hasta 65.000 nodos de red.

Hay de dispositivos especificados: (RFD) como dispositivo de función reducida, FFD como dispositivo de función completa, y el Coordinador de la red. Éstos definen los dispositivos ZigBee, donde un dispositivo final (“end point”) puede ser RFD o FFD, un enrutador es un FFD, y un coordinador de ZigBee es el coordinador de la red.

802.15.4 emplea una estructura de simple trama de la que se verá con más detalle después. Esta estructura combinada con el reconocimiento de comunicación, resulta una entrega de datos segura. Soporta la Asociación/Desasociación de la red, así como la encriptación AES de 128 bits, si se desea. La estructura CSMA permite la buena coexistencia con otros equipos. Hay también disponible una estructura de supertrama opcional, para mejorar la latencia.


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Opciones del MAC Hay dos mecanismos de acceso de canal. La operación sin “beacon” implica la dependencia sobre las

características del CSMA y del ACK para las comunicaciones exitosas. Si es deseada mejor latencia, se puede usar la operación con “beacon”. En este modo, los dispositivos son

asignados uno de los 16 “slot times” entre “beacons”. Los intervalos entre “beacons” pueden ser de 15 milésimas de segundo hasta 252 segundos.

Hay tres niveles de seguridad especificados. Sin ninguna seguridad, con la lista de control de acceso de la red,

y con AES – 128 bits. La última opción involucra software adicional, que añadirá al tamaño de código. Tipos de dispositivos IEEE 802.15.4 • Coordinador de red: es el dispositivo más sofisticado. Debe dirigir la red y requiere más memoria, en general, por

lo tanto. • Dispositivo de funcionalidad completa (FFD): mientras que un dispositivo FFD puede ser un dispositivo final,

generalmente será un enrutador. El FFD también puede trabajar como un puente a otras redes. En este caso, podría requerir más potencia de memoria y computación que el coordinador de la red. Este dispositivo no será alimentado por una pequeña batería, en general.

• Dispositivo de funcionalidad reducida (RFD): como su nombre implica, tiene un conjunto de características reducidas. Solamente tiene que oir/hablar con su coordinador de red y su enrutador más cercano. Esta clase de dispositivos se centra en aplicaciones de dispositivo final trabajando con batería.

Capa de red (NWK)

Debido a que el “stack” del protocolo de ZigBee es relativamente simple comparado con otros “stacks” de protocolos de comunicaciones, lo que se llama capa de red de ZigBee a menudo también se refiere a la capa de aplicación (APL). Esta arquitectura es el punto de partida para el debate de la capa de red. Canales IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4 define 27 canales de frecuencia entre las tres bandas. La capa física a 868/915 MHz soporta un solo canal entre los 868 y los 868.6 MHz , y diez canales entre los 902.0 y 928.0 MHz. Debido al soporte regional de esas dos bandas de frecuencias, es muy improbable que una sola red utilice los 11 canales. Sin embargo, las dos bandas se consideran lo suficientemente cercanas en frecuencia que se puede utilizar con el mismo hardware para ambos y así reducir costos de manufacturación. La capa física a 2.4 GHz soporta 16 canales entre los 2.4 y los 2.4835 GHz con un amplio espacio entre canales (5 MHz), con el objetivo de facilitar los requerimientos de filtrado en la transmisión y en la recepción.

Estructura de canales del IEEE 802.15.4

Número de Canales Frecuencia central del Canal (MHz) k = 0 868.3 k = 1, 2, ... 10 906 + 2 (k – 1) k = 11, 12, ...26 2405 + 5 (k –11)


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Frecuencia de los canales IEEE 802.15.4

Dado que en el hogar es propenso a tener múltiples redes inalámbricas trabajando en las mismas bandas de frecuencias, así como una interferencia no intencionada de las diferentes aplicaciones, la capacidad de relocalización dentro del espectro será un factor importante en el éxito de las redes inalámbricas dentro del hogar. El estándar fue diseñado para implementar una selección dinámica de canales, a través de una selección específica de algoritmos la cual es responsabilidad de la capa de red. La capa MAC incluye funciones de búsqueda que sigue paso a paso a través de una lista de canales permitidos en busca de una señal de guía, mientras que la capa física contiene varias funciones de bajo nivel, tales como la detección de los niveles de energía recibidos, indicadores de calidad en el enlace, así como de conmutación de canales, lo que permite asignación de canales y agilidad en la selección de frecuencias. Esas funciones son utilizadas por la red para establecer su canal inicial de operación y para cambiar los canales en respuesta a una pausa muy prolongada. Modulación

La PHY en la banda de 868/915 MHz utiliza una aproximación simple de espectro expandido por secuencia directa (DSSS o Direct Sequence Spread Spectrum) en la cual cada bit transmitido se representa por un chip-15 de máxima longitud de secuencia (secuencia m). Los datos binarios son codificados al multiplicar cada secuencia m por +1 o -1, y la secuencia de chip que resulta se modula dentro de la portadora utilizando BPSK (binary phase shift keying). Antes de la modulación se utiliza una codificación de datos diferencial para permitir una recepción diferencial coherente de baja complejidad. Seguridad en IEEE 802.15.4 El estándar IEEE 802.15.4 proporciona tres niveles de seguridad: • Sin seguridad (por ejemplo, aplicaciones de publicidad). • Control de acceso a listas (sin seguridad criptográfica). • Seguridad con clave simétrica.

Para minimizar costos para dispositivos que no lo requieran, el método de distribución de la clave no se especifica en el estándar pero se debe de incluir en capas superiores de las aplicaciones apropiadas. 128 bytes AES.

Parámetros de los Datos Parámetros del chip

PHY Frecuencias

MHz Velocidad

de bits (kb/s)

Velocidad de símbolos

(kbaud) Modulación

Velocidad de chip

(kchips/s) Modulación

868.0 - 868.6 20 20 BPSK 300 BPSK 868/915 MHz

902.0 - 928 40 40 BPSK 600 BPSK

2.4 GHz 2400 - 44835 250 62.5

16-ary ortogonal.

2000 O-QPSK

Parámetros de modulación

La capa física a 2.4 GHz emplea una técnica de modulación semi-ortogonal basada en métodos de espectro expandido por secuencia directa (DSSS o Direct Sequence Spread Spectrum), con propiedades similares. Los datos binarios están agrupados en símbolos de 4 bits, y cada símbolo especifica una de las 16 secuencias de transmisión semi-ortogonales de código de seudo-ruido (Pseudo-Noise). Las secuencias PN son concadenadas para que sean datos de símbolos exitosos, y la secuencia agregada al chip es modulada en la portadora utilizando MSK (Minimum Shift Keying). El uso de símbolos “casi ortogonales” simplifica la implementación a cambio de un desempeño ligeramente menor (< 0.5 dB). Los parámetros de modulación para ambas capas físicas se resumen en la tabla anterior.

La tecnología de espectro expandido utiliza todo el ancho de banda disponible, en lugar de utilizar una

portadora para concentrar la energía a su alrededor. Tiene muchas características que le hacen sobresalir sobre otras tecnologías de radiofrecuencias (como la de banda estrecha, que utiliza microondas), ya que posee excelentes propiedades en cuanto a inmunidad a interferencias y a sus posibilidades de encriptación, que se empezaron a utilizar en aplicaciones militares.

En términos de eficiencia (energía requerida por bit), la señalización octogonal mejora su funcionamiento en 2 dB que BPSK diferencial. Sin embargo, en términos de sensibilidad de recepción, la capa física 868/915 MHz tiene una


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ventaja de 6-8 dB debido a que tiene velocidades de transmisión más bajas. Por supuesto, que en ambos casos las pérdidas de implementación debido a la sincronización, forma del pulso, simplificaciones en el detector y demás cosas, resultan en desviaciones en sus curvas óptimas de detección. Sensibilidad y Potencia

Las especificaciones actuales de sensibilidad de IEEE 802.15.4 especifican –85dBm para la capa física a 2.4GHz y de -92dBm para la capa de física a 868-915MHz. Dichos valores incluyen suficiente margen para las tolerancias que se requieren debido a las imperfecciones en la fabricación, de la misma manera que permite implementar aplicaciones de bajo costo. En cada caso, los mejores equipos deben ser del orden de 10dB mejor que las especificaciones.

Naturalmente, el rango deseado estará en función de la sensibilidad del receptor, así como de la potencia del

transmisor. El estándar IEEE 802.15.4 especifica que cada dispositivo debe de ser capaz de transmitir al menos a 1mW, pero dependiendo de las necesidades de la aplicación, la potencia de transmisión puede ser mayor o menor para aprovechar la energía.

Los dispositivos típicos (1mW) se esperan que cubran un rango de entre 10-20 m; sin embargo, con una buena sensibilidad y un incremento moderado en la potencia de transmisión, una red con topología tipo estrella puede proporcionar una cobertura total para toda una casa. Para aplicaciones que requieran mayor tiempo de latencia, la topología tipo “mesh” ofrece una alternativa atractiva con buenas coberturas del hogar, dado que cada dispositivo solo necesita suficiente energía para comunicarse con su vecino más cercano. Interferencia de y para otros dispositivos

Los dispositivos que operan en la banda de 2.4 GHz pueden recibir interferencias causadas por otros servicios que operan en dicha banda. Esta situación es aceptable en las aplicaciones que utilizan el estándar IEEE 802.15.4, las cuales requieren una baja calidad de servicio (QoS), no requieren comunicación asíncrona, y se espera que realice varios intentos para completar la transmisión de paquetes. Por el contrario, un requerimiento primario de las aplicaciones del IEEE 802.15.4 es una larga duración en las baterías; esto se logra con poca energía de transmisión y muy pocos ciclos de servicio.

Dado que los dispositivos IEEE 802.15.4 se pasan dormidos el 99.9% del tiempo, y ocupan transmisiones de baja energía en el espectro extendido, deben estar trabajando en la banda de los 2.4 GHz.


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Solución Zigbee de Freescale

Freescale con sus circuitos para comunicaciones inalámbricas, conjuntamente con los microcontroladores de muy bajo consumo de 8 bits S08, que permiten implementar comunicaciones Zigbee.

Como base, Freescale ofrece el transmisor-receptor MC13192 con cualquier microcontrolador de 8 bits de muy bajo coste de la familia S08.

Solución Zigbee de Freescale La familia se ha ampliado con nuevos transmisores (familia MC1320x) que incluyen el conmutador de antena

y mejoras de sensibilidad. El siguiente paso ha sido montar en el mismo circuito el transmisor y un microcontrolador HCS08GT (familia MC1321x).

Freescale con la tercera generación de dispositivos Zigbee presenta el nuevo transceptor de 2,4GHz con un

ARM7 TDMI de 32 bits a 26MHz, llamado PIP (Platform In a Package) es decir sin componentes externos, con mucho

Comp. externos

Comunicación Sensibilidad Potencia de salida

Alimentación Rango de temperatura Encapsulado

MC13192/93 (Z)

17 SPI -92 dBm -27 dBm a +4 dBm

2.0 a 3.4 V

-40º a +85ºC

32-pin QFN

MC1320x 15 SPI -92 dBm -27 dBm a +4 dBm

2.0 a 3.4 V

-40º a +85ºC

32-pin QFN

MC1321x 14 Incluye uC S08 hasta 60KFlash

-92 dBm -27 dBm a +4 dBm

2.0 a 3.4 V -40º a +85ºC 64-pin LGA

MC1322x Incluye uC ARM hasta 128KFlash

-96 dBm +5dBm


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menor consumo, incluye 80K de ROM con 802.15.4, 96K SRAM, UART, I2C, I2S, SPI, KBI, 8 canales ADC de 12 bits, 4 timers de 16 bits, 64 I/O, y los 128K de Flash quedan libres para la aplicación del usuario. 250kbps y 2Mbps

Comparativa de las tres generaciones

Las herramientas de desarrollo de Zigbee de Freescale se basan en un entorno de desarrollo software Beekit

(que permite trabajar tanto con el SMAC (punto a punto o punto multipunto), MAC (802.15.4) que son gratuitos o bien con el “stack” de Zigbee que necesita pagar una licencia, después de los 90 días gratuitos). Las herramientas hardware se componen de diferentes kits de desarrollo, desde una comunicación simple a USB de PC, hasta un kit para hacer una red en malla de ZigBee completa, Freescale también da soporte a otros microcontroladores de la familia HCS12 de 16 bits y a los procesadores de 32 bits de la familia ColdFire. Para más información sobre ZigBee: http://www.zigbee.com http://freescale.com http://www.zigbee.org http://www.ieee802.org/15/pub/TG4.html

BalunTX/RXSwitchTX/RXSwitch

AnalogTX

AnalogRX

TXModem

RXModem

DigitalModem

802.15.4MAC

Accelerator(MACA)

802.15.4MAC

Accelerator(MACA)

IEEE® 802.15.4 Transceiver



SPIFLASHModule(SPIF)

128 KBSerial

FLASH

128 KBSerial

FLASH

AnalogPower

Management&

VoltageRegulation

AnalogPower

Management&

VoltageRegulation

RFOscillator/PLL

&Clock Generation

24 MHz (Typical) 32.768 KHz (Optional)

Clock &Reset

Module(CRM)

ARM7TDMI-S32-bitCPU

ARM7TDMI-S32-bitCPU

BusInterface &

MemoryArbitrator

BusInterface &

MemoryArbitrator

ARMInterrupt

Controller(AITC)

ARMInterrupt

Controller(AITC)

CPU Complex

80 KBROM80 KBROM

MC1322X Block Diagram

SCI/UARTModule

SCI/UARTModule

SCI/UARTModule

SCI/UARTModule

SSI/I2SModuleSSI/I2SModule

I2CModule

I2CModule

KeyboardInterfaceKeyboardInterface

SPIInterface

SPIInterface

GPIOControlGPIO

Control

TimerModuleTimer

Module

Up

to 6

4 G

PIO

Up

to 6

4 G

PIO

BatteryMonitorBatteryMonitor

Dat

a &

Add

ress

Bus

es

12-bitADC

12-bitADC

12-bitADC12-bitADC

12-bitADC12-bitADC

JTAG & Nexus

JTAG & Nexus

96 KBRAM96 KBRAM

BuckConverter

BuckConverter


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Solución Zigbee de Texas Instruments Texas Instruments adquirió Chipcon para completar su gama de productos inalámbricos incluyendo Zigbee, con la familia CC24xx con muy pocos componentes, no necesita ni conmutador de antena ni filtro, con grandes prestaciones y con bajo consumo, potencia de salida programable y alta sensibilidad (-94dBm). Tiene soporte RSSI/LQI digital. kbps

Modulación Voltaje Consumo

Rx/Tx (mA)

Tipo Potencia / Sensibilidad

Encap.

CC2400 (Z) 1000 GFSK / MSK

1.6 a 2 24 / 19 Emisor/Receptor -25 a 0 / -101 dBm

48 QFN

CC2420 (Z) 250 DSSS 2.1 a 3.6 19.7 / 17.4 Emisor/Receptor -25 a 0 / -103 dBm

48 QFN

CC2520 (Z) 250 DSSS 1.8 / 3.8 18,5 / 25.8 Emisor/Receptor -20 a +5 / -98 bBm

28 QFN

CC2430 (Z) CC2431 (Z)

250 DSSS 2 a 3.6 27 / 27 Emisor/Receptor + Micro C51 (32, 64 128K)

-25 a 0 / -96 dBm

48 QFN

CC2530 (Z) CC2531 (Z)

250 DSSS 2 a 3.6 27 / 27 Emisor/Receptor + Micro C51 (32, 64 128, 256K) RSSI digital

-25 a 5 / -97 dBm

40 QFN

La familia sigue aumentando incluyendo un microcontrolador en el propio transmisor (SoC), el CC2430/2530

es un circuito de muy bajo consumo que incluye el transmisor CC2420 y un microcontrolador basado en el núcleo 8051 32MHz, con 32/64/128K de Flash, 8K SRAM, 4K para guardar datos, y los periféricos más indispensables (8 canales ADC de 14 bits, 2 UART, Timers, etc…) funcionalidad DMA, monitor de batería, sensor de temperatura, alimentación de 2 a 3,6V. El CC2431/2531 son pin a pin compatibles con CC2430/2530 pero añaden la funcionalidad de “localización”. Los CC2520/30/31 son la nueva generación del los CC2420/30/31 que mejoran el interface de usuario, tienen 6 GPIO que son configurables por el usuario. Por ejemplo, se pueden utilizar para obligar ciertas excepciones del CC2520 al microcontrolador, por el contrario el CC2420 solo lo puede hacer con el interface SPI. Con el CC2520 el método GPIO permite tener en un momento exacto cuando un paquete es transmitido y así ahorrar energía. Estos dispositivos están soportados con placas de evaluación SmartRF04EB y módulos satélites (por ejemplo el CC2430DB). Las placas del transmisor (CC2430EM) se pueden intercambiar.

CC2430EM

SmartRF04EB CC2430DB


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Funcionalidad de localización con el CC2431 Aprovechando las redes en malla, se puede añadir la funcionalidad de localización con el CC2431 que incluye un motor de cálculo (firmware) para averiguar una posición relativa con respecto a unos nodos de referencia. El motor de localización puede aceptar entre 3 y un máximo de 16 nodos de referencia. De hecho usa el Indicador de Potencia de señal Recibida (RSSI), que es proporcional a la distancia, medida en dBm. Hace el promedio de las lecturas realizadas sobre varias difusiones (de los routers o nodos de referencia) usando un algoritmo de estimación de máxima probabilidad (MLE). El CC2431 es como End-Device de una red Zigbee cualquiera. Se le llama Blind Node porque el CC2431 recoge las señales de todos los nodos de referencia en respuesta a una solicitud, lee los valores RSSI respectivos, por medio del motor de localización hardware calcula la posición y después envía la información de la posición al control de la aplicación. El tiempo estimado de localización está entre 35µs y 13 ms. La precisión de localización depende de una serie de factores que se pueden mejorar por medio de varias técnicas:

• Cogiendo un promedio sobre varias lecturas del RSSI. • Quitando los valores incorrectos (ejemplo: quitar los valores máximos y mínimos). • Añadiendo más nodos de referencia (se pueden usar desde 3 hasta 16 nodos). • Usando antenas con mejores prestaciones. • Usando otro tipo de algoritmos más complejos y usando el CC2430.

Para mayor información se puede ver la nota de aplicación: AN042 de Texas Instruments El nuevo transceptor de Zigbee CC2480 incluye un procesador de Zigbee certificado, lo que se llama Z-Accel, fácil de usar y flexible, permitiendo a los usuarios reducir el tiempo de salida al mercado. El CC2480 proporciona una funcionalidad completa Zigbee sin tener que aprender la complejidad del stack de Zigbee, el dispositivo permite trabajar con cualquier microcontrolador “host” comunicando vía SPI o UART. Para más información sobre ZigBee: http://www.zigbee.com http://www.zigbee.org http://www.ti.com/msp430wireless http://www.ti.com/lprf


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Solución Zigbee de Microchip Microchip ofrece una solución Zigbee basada en sus microcontroladores Está dirigido a dispositivos y redes de bajo coste, que no necesitan una alta transferencia de datos (250Kbit/s), a corta distancia (100 metros sin obstáculos), y con un consumo energético mínimo. Desarrollado por Microchip Technology, se trata de un proyecto de código abierto, con la única limitación de la obligación de utilizar microcontroladores de Microchip Technology y su transceptor MRF24J40. Está dentro del espectro de los 2,4Ghz a través de su transceptor MRF24J40 y es compatible con todos los dispositivos IEEE 802.15.4, como el Zigbee. Características: Tiene una tasa de transferencia de 250 kbit/s (según IEEE 802.15.4) Su topología es capaz de formar redes punto a punto, en estrella o en malla, según IEEE 802.15.4 puede tener 8 coordinadores como máximo por red, y cada uno de éstos 127 hijos, haciendo un total de 1024 de nodos por red.

Transmisor MRF24J40 - Cumple con la especificación IEEE 802.15.4 - Soporta los protocolos MiWi™, ZigBee™ - Interface SPI - Oscilador integrado (20 MHz y 32.768 kHz) - Salida de clock de referencia de 20 MHz: - Disponible para un microcontrolador - Modo de bajo consumo - Consumo típico 18 mA en Rx y 22 mA en Tx - Consumo en modo Sleep 2 µA - Potencia de salida Max 0dBm - Sensibilidad -91dBm - Encapsulado en 40 pins QFN 6x6mm

Microchip ofrece un analizador de red de bajo coste, denominado Zena DM183023 que sirve para tanto Zigbee y Miwi, compuesto por un “sniffer” y el software para PC con un interface gráfico que permite ver el tráfico de tramas de un nodo a otro en tiempo real. Finalmente Microchip con el módulo transceptor MRF24J40MA con la antena integrada y certificado por la FCC (USA) y ETSI (Europa), permite a los usuarios tener una solución RF sin tener que diseñar un hardware especializado y sin tener ninguna experiencia en RF. Equipo de desarrollo DM163027 Para más información sobre Microchip: http://www.microchip.com/zigbee http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.15.4-2003.pdf https://standards.ieee.org/regauth/oui/forms/OUI-form.shtml


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Solución Zigbee de ST Micro

STM propone una solución con módulos Zigbee terminados, basados en el procesador de red Zigbee SN260 que puede ser controlado via SPI por un microcontrolador, por ejemplo con el ARM Cortex STM32 de muy bajo consumo, o por el SOC (System On Chip) SN250 caracterizado para IEEE 802.15.4. Esta solución evita el diseño de circuitos impresos a 2.4 GHz con lo que esto comporta en conocimientos y experiencia en RF. El módulo SPZB260 basado en el SN260 en un tamaño de 25x13,7mm incluye la antena y demás componentes de RF así como el protocolo ZNet de Zigbee. Certificado y marcado por FCC, así como certificado por CE.

El módulo SPZB250 basado en el SoC SN250 en un tamaño de 26,5x16,4mm incluye la antena y demás componentes de RF así como el protocolo ZNet de Zigbee. El micro interno incluye 128K Flash, 5K SRAM, y un bootloader para cargar cualquier aplicación de usuario. Además tiene hasta 17 I/O, con UART, I2C, SPI, ADC. Certificado y marcado por FCC, así como certificado por CE.

Para mayor información: http://www.st.com/zigbee


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2.2.2 Wireless HART

El protocolo de comunicaciones HART (Highway Addressable Remote Transducer Protocol) es una implementación del bus de campo, un protocolo digital de automatización industrial. Este protocolo fue desarrollado por Rosemount Inc. para instrumentos de campo inteligentes, que viene del protocolo abierto HART desarrollado en 1986. Desde entonces, las capacidades del protocolo han tenido mejoras con sucesivas revisiones a la especificación.

En septiembre de 2007 se publicó el estándar de Wireless HART como parte de la especificación HART 7.0

que ha sido aceptado rápidamente como tecnología inalámbrica para control de procesos. Wireless HART es un protocolo de una a red de comunicaciones en malla para aplicaciones de automatización. Añade la capacidad inalámbrica mientras que mantiene la compatibilidad con los dispositivos HART existentes, comandos y herramientas.

Una red Wireless HART consiste en dispositivos de campo Wireless HART, por lo menos un puente Wireless HART y un controlador de red Wireless HART. Estos componentes están conectados en una red en malla que soportan una comunicación bidireccional.


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2.2.3 RF4CE – Radio Frequency For Consumer Electronics

Philips, Samsung Electronics, Sony Corporation y Panasonic juntamente con Freescale Semiconductors, OKI y Texas Instruments, han fundado el consorcio RF4CE para crear un nuevo protocolo que permitirá el desarrollo de controles remotos por radio frecuencia que ofrece mejor comunicación, mayor confiabilidad y un uso más flexible. La mayoría de los controles remotos para equipos de consumo existentes utilizan tecnología infrarroja. Si bien en la actualidad no existen normas para las frecuencias de radio de los controles remotos para dispositivos audiovisuales electrónicos de consumo, el aumento de la demanda para funcionalidad avanzada no es posible con la tecnología infrarroja existente y ha llevado a cabo la creación del consorcio RF4CE. Los controles remotos por RF permiten la operación sin necesidad de una línea directa entre el dispositivo y el control, y la tecnología además proporciona características más avanzadas, basada en comunicaciones bidireccionales. El nuevo estándar de controles remotos por RF está basado en la tecnología IEEE 802.15.4. MAC/PHY en la banda de frecuencia sin licencia de 2,4GHz, que permite trabajar en todo el mundo, bajo consumo y una respuesta instantánea. El objetivo del consorcio RF4CE es desarrollar una plataforma de RF que permite una comunicación inalámbrica en bidireccional, confiable y omnidireccional y la agilidad de frecuencia para coexistir con otras tecnologías inalámbricas de 2,4GHz, configuración y seguridad sencillas. Para mayor información : http://www.rf4ce.org/ 2.2.4 Protocolo Synkro™

Freescale abre el protocolo Synkro™ a todos los fabricantes de equipos electrónicos de consumo. Este protocolo de RF está diseñado para mejorar el control, monitorización y automatización de equipos electrónicos de entretenimiento en el hogar. En un esfuerzo por impulsar la estandarización de la tecnología RF y mejorar la usabilidad de los dispositivos de entretenimiento en el hogar, Freescale Semiconductor ofrece su protocolo de radio frecuencia (Synkro™) para redes de control de entretenimiento a todos los fabricantes de equipos electrónicos de consumo. El protocolo Synkro™ de Freescale soluciona las limitaciones de la tecnología y las interrupciones comunes en las soluciones infrarrojas (IR) actuales.

El protocolo de redes Synkro, basado en el estándar IEEE® 802.15.4 es usado ampliamente en el diseño de televisores digitales, reproductores DVD, set-top-box, receptores de audio/video y controles remoto. La plataforma de redes para control del entretenimiento basada en RF ya está disponible para descargarse del sitio www.freescale.com/synkro para su uso masivo.

Además de expandir la disponibilidad del protocolo Synkro™, Freescale ha agregado a la plataforma el cifrado AES 128 para el control de redes basada en RF. Esta única característica de seguridad protege la transferencia de comandos que ocurren sobre las conexiones en la red RF. Freescale también introdujo la fragmentación como una nueva característica del protocolo Synkro™ con el objetivo de soportar la transferencia de grandes cantidades de información entre nodos. El protocolo Synkro™ se ofrece como un codebase para ser usada dentro del paquete de conectividad inalámbrica BeeKit; con una interfaz gráfica de usuario (GUI) en la que el usuario puede crear, modificar, guardar y actualizar las soluciones de redes inalámbricas basadas en las diferentes pilas de protocolos de Freescale.

El estándar de la industria que se está desarrollando en el Consorcio RF4CE se basa en parte en el protocolo Synkro™, por lo que su disponibilidad masiva dará a los desarrolladores acceso al estándar de control RF para fabricar equipos electrónicos de consumo.


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El protocolo Synkro™ proporciona una ruta de migración de software y hardware para líneas futuras de productos, diseñada para revolucionar la forma en que los consumidores controlan sus dispositivos de entretenimiento en el hogar. La capa de red para el control fue desarrollada teniendo en mente al usuario. Esta tecnología resuelve una preocupación crecimiento entre los fabricantes de equipos electrónicos de consumo: las limitaciones de la tecnología y las interrupciones causadas por las soluciones basadas en IR, que no son compatibles con sus planes de equipos de consumo. Esta nueva plataforma ofrece capacidades de control avanzadas, como comunicación bidireccional entre dispositivos de entretenimiento. Elimina la necesidad de tener línea física directa para controlar los dispositivos y proporciona las bases para un control remoto universal que maneje cualquier equipo electrónico de consumo. 2.2.5 ISA 100.11a - ISA – The Instrumentation, Systems, and Automation Society El comité ISA100 va dirigido a fabricantes de sistemas inalámbricos y de control, en áreas de:

Ambientes en el cual la tecnología inalámbrica es DEPLOYED. Ciclo de vida de la tecnología para equipos y sistemas inalámbricos. Aplicación de tecnología inalámbrica.

Los ambientes inalámbricos incluyen, la definición de inalámbricas, radio frecuencias (punto de inicio), vibración, temperatura, humedad, EMC, interoperatividad, coexistencia con sistemas existentes y localización de equipos físicos.


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Comparativa de tecnologías

Synkro™ ZigBee® ISA SP100™ WirelessHART™

Mercados Consumo Consumo y Comercial

Industrial Industrial

Aplicaciones Control Remoto

RF

Medida de energía, Automatización

edificios

Control de Procesos en Automatización de

Factorías Control Industrial

802.15.4 2003 2003 2006 2006 Channel

Hopping/Agility Agility Agility - 2007 Spec Hopping Hopping

Topología Star Mesh, Tree Mesh, Tree Mesh Tipo de dispositivo FFD, RFD FFD, RFD FFD, RFD FFD Vida de la Batería La mejor La mejor Mejor Buena

Sleeping Routers No No por ahora, si en futuras

especificacines Si Si

Latencia 4ms* 4ms 10ms 10ms Channel Blacklist / Preferred Channels

No Preferred channel Blacklist Blacklist

Encriptación Sin definir AES128 AES128 AES128 Key Exchange Sin definir Profile Si Si

Costo Muy bajo Bajo Medio Alto Prioridad de Mensaje

(QOS) No No Si Si

Certification Program Si Si Si Si

6LowPAN


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2.2.6 Bluetooth Bluetooth es un sistema de comunicación inalámbrico que aparece asociado a las Redes de Area Personal Inalámbricas en inglés WPAN (Wireless Personal Area Network). Esta nueva especificación está establecida para el enlace entre dispositivos de voz y datos a corto alcance, de forma fácil y simple.

El vocablo Bluetooth procede del año 960: el rey de Dinamarca Harald Blatand II Bluetooth, unió y cristianizo los países de Dinamarca y Noruega. En 1994 Ericsson empezó un estudio de viabilidad de una solución de conexión vía radio a bajo coste y bajo consumo, para conectar teléfonos móviles y sus accesorios. En 1998 Ericsson y Nokia, junto con IBM y Toshiba más Intel formaron el SIG, Grupo de Interés Especial, donde actualmente lo forman más de 1700 miembros.

Bluetooth opera en una banda no licenciada ISM (Industrial Scientific Medical) de 2.4-2.5GHz permitiendo la

transmisión de voz y datos, de forma rápida y segura con un rango de hasta 10 metros con 1 miliwatio o 100 metros si se usa un amplificador de 100 miliwatios. Puede transferir datos de forma asimétrica a 721 Kbps y simétricamente a 432 Kbps. Usa la llamada Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS), que divide la banda de frecuencia en un número de canales (2.402 – 2.480GHz, 79 canales). Para transmitir voz son necesarios tres canales de 64 Kbps, para transmitir vídeo es necesario comprimirlo en formato MPEG-4 y usar 340 Kbps para conseguir refrescar 15 veces por segundo una pantalla VGA de 320x240 puntos. Bluetooth minimiza la interferencia potencial al emplear saltos rápidos en frecuencia (1600 veces por segundo).

Dentro de una aplicación típica de Bluetooth nos podemos encontrar los siguientes elementos:

• Master: es el dispositivo Bluetooth que establece e inicializa la conexión, la secuencia de control “hopping” y la temporización de los demás dispositivos colocados en lo que se llama una red “Piconet”.

• Slave: es el dispositivo habilitado en una Piconet. Una red Piconet tiene un máximo de 7 esclavos. • Piconet: una red de hasta 8 dispositivos conectados (1 maestro+ 7 esclavos). • Scatternet: red formada por diferentes redes Piconet.

La arquitectura bluetooth se organiza en "piconets", formadas por dos o más dispositivos compartiendo un

canal; uno de los terminales actúa como maestro de la “piconet”, mientras que el resto actúan como esclavos. Varias piconet con áreas de cobertura superpuestas forman una "scatternet".

Piconet con un solo esclavo (a), con múltiples esclavos (b) y scatternet" (c) La solución actual de dispositivos Bluetooth que propone NXP (antes Philips)

consiste en un “chipset” formado por un modulo de RF llamado “True Blue RF Module BGB100” que realiza el procesado de las señales de radio frecuencia y las entrega al procesador banda base según el estándar Bluetooth 1.1. que esta en el segundo chip: “Controlador de banda base Blueberry PCF87750”. El módulo de radio frecuencia True Blue BGB100 tiene una interfaz directa con el controlador de banda base PCF87750 y está basado en el circuito integrado de RF UAA3558, que integra el VCO, el sintetizador, los filtros de frecuencia intermedia y amplificadores de potencia si se requiere, convirtiéndolo en una solución de bajo coste.

El controlador de banda base Blueberry PCF87750 tiene: núcleo microcontrolador de Ericsson (ARM7TDMI), codec de audio, memoria de programa MTP 384KB, memoria SRAM 32-64KB, interfaces de I/O, USB, SPI, UART y PCM que realiza el procesado de voz y datos. Hay disponibles Kits de desarrollo, placa de evaluación con el BGB100, módulos completos en colaboración con ConnectBlue que dará el soporte del software y módulos con el módulo de RF BGB100 plug-in.


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Bluetooth 2.0 La nueva especificación 2.0, soportará velocidades de 4, 8 y 12 Mbps, dependiendo del dispositivo, pero todas ellas compatibles entre sí. Por otro lado, se proporcionará un nivel de acceso al medio más eficiente que garantice los tiempos de respuesta de aplicaciones de audio y vídeo en tiempo real. La distancia seguirá siendo unos 10 metros y consumirá el doble de potencia. Una de las características más importantes de la versión 2.0 es que evita los problemas de la versión cuando se cae el maestro de una Piconet. En la nueva versión, cualquier dispositivo de la Piconet puede ser el supervisor o maestro de las comunicaciones cuando algún otro desaparece o falla. Rango de conectividad: Clase 1 100m 1mW (0dBm) hasta 100mW (+20dBm) Clase 2 10m 0,25mW (-6dBm) hasta 2,5mW (+4dBm) Clase 3 0,1m 1mW (0dBm) Para más información sobre Bluetooth: http://www.bluetooth.com http://www.infineon.com http://www.palowireless.com/bluetooth/ http://www.thebluelink.com http://www.egroups.com/group/bluetooth/ http://www.nxp.com/bluetooth http://mail.anywhereyougo.com/mailman/listinfo/bluetooth-dev

Módulos Bluetooth: Debido a la complejidad, costes de desarrollo, y sobre todo costes de homologaciones, la mejor solución actual para implementar Bluetooth en un equipo es comprar un módulo completo, para ello NXP a través de ConnectBlue y ST Microelectronics directamente venden módulos Bluetooth. Estos módulos se controlan con comandos AT.


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Solución Bluetooth de ConnectBlue ConnectBlue es un fabricante especializado únicamente en módulos Bluetooth y WLAN. Ofrece una gran variedad de módulos muy completa para aplicaciones industriales.

Estos robustos módulos son fáciles de usar, tienen un tiempo de conexión muy rápido (<300ms), coexistencia con WLAN (Adaptive Frequency Hopping), optimizados para latencia/retardo, mejorado en los modos DSR/DTR, gran alcance, bajo consumo, con rango de temperatura de -30ºC a +85ºC, soportan todos las velocidades de transmisión, señalización de corte de comunicación, multipunto (hasta 7 esclavos), cumplen con RoHS (libre de plomo). cumplen con Bluetooth 2.0 (quiere decir que tienen licencia Bluetooth), y también tienes las aprobaciones (licencia para ser vendido) que certifican el producto final.

Tipos de Aprobaciones:

• EMC & Medical (Europe) • ETSI EN 301 489-1 V1.4.1 • ETSI EN 301 489-17 V1.2.1 • EN 61000-6-2 • EC 60601-1-2 • EMC (Canada, USA) • DIN EN ISO/IEC 17025 • ANSI C63.4-2003 • FCC Public Notice DA 00-705 • RSS-210 • RSS-Gen • Radio (Europe): • ETSI EN 300 328 V1.6.1 • Radio (USA): • FCC CFR 47 Part15 • Safety (world wide): • EN 60950-1:2001 / IEC 60950-1:2001 • EN 60950-1/a11:2004 + Corregendum:2004

Kit de desarrollo cB-OEMSPA311i-01 Antenas externas:


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Solución Bluetooth de ST Microelectronics ST Microelectronics fabricante de semiconductores fabrica módulos Bluetooth para que el diseñador tenga una solución fácil de usar con sus propios circuitos integrados.. Cumplen con la especificación Bluetooth v1,2 Los módulos GS-BT2416 cumplen con la especificación Bluetooth v1.2, con Clase 1 (hasta 100m) y Clase 2 (hasta 10m). Soportan interface USB/UART/I2C/PCM/SPI/GPIO.

El módulo SP-BT2500 cumple con la especificación Bluetooth v2.0, con Clase 1 (hasta 100m). Soportan interface UART/PCM/SPI. El módulo SP-BT2425 cumple con la especificación Bluetooth v2.0, con Clase 2 y 1.5 (hasta 10m) y Clase 2 (hasta 10m). Soportan interface USB/UART/I2C/PCM/SPI/GPIO.

Kit de desarrollo GSBT2416C1DB

Para mayor información: http://www.st.com 2.2.7 ULP Bluetooth (Ultra Low Power Bluetooh) ULP Bluetooth es una variación del estándar Bluetooth para soluciones de bajo coste, para trabajar en Ultra Bajo Consumo, tiempos de conexión rápidos y bajo consumo durante la sincronización, funcionando a 2.4GHz, 1Mbps en modulación GFSK. Puede trabajar punto a punto y en estrella. Permite trabajar en Single Mode donde solo soporta ULP Bluetooth (típicamente en periféricos) y en Dual Mode donde soporta Bluetooth y ULP Bluetooth (típicamente en teléfonos celulares y PC portátiles). Comparando con Bluetooth consume una décima parte menos en bajos ciclos de servicio. Texas Instruments ofrece dispositivos CC2540 y la nueva familia CC26xx.


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2.2.7 WiFi o WLAN IEEE 802.11 Es un sistema de comunicación sin hilos WLAN (Wireless Local Area Network) que se utiliza para redes de PC y periféricos. La iniciaron un consorcio de diferentes compañías en 1990. La transmisión de datos trabaja en modo bidireccional con un protocolo CSMA/CD, que evita colisiones monitorizando el nivel de señal en la red, con las siguientes características:

• 802.11 2Mb/s a 2.4GHz • 802.11 b 11Mb/s a 2.4GHz • 802.11 g 55Mb/s a 2.4GHz • 802.11 a 55Mb/s a 5.7GHz

La versión más conocida actualmente es la 802.11b y se conoce con el nombre comercial de WiFi (Wireless Fidelity). La asociación WECA es la encargada de vigilar y certificar que los productos WiFi cumplen todas las normas y que, por lo tanto, son compatibles con los dispositivos comercializados hasta la fecha.

NXP Mobile/handheld Media Networking Dispositivos BGW100 +

SA2443 BGW200 SA5251 +

SA5250 SA2451 + SA5250

RF SiP + Baseband/MAC

RF Transceiver + Baseband/MAC SiP

RF Transceiver + Baseband/MAC

RF Transceiver + Baseband/MAC

Estándar Low power 802.11b

Low power 802.11b 802.11 a/g 802.11g

Para más información: http://www.ofdm.org/ http://www.wi-fi.net/ http://www.wirelessethernet.org http://www.wi-fi.org http://www.weca.net www.nxp.com/


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Solución WLAN ConnectBlue: Los módulos WLAN de ConnectBlue son robustos, confiables y fáciles de usar, muy bajo consumo, rango de temperatura de -30ºC hasta +85ºC, con interface serie o SPI, cumplen con RoHS (sin plomo) y tienen las aprobaciones siguientes:

• ETSI EN 300 328 & 301 489 (TA EU) • FCC/CFR 47, Part 15 (TA US) • IC (TA Canada) • EU – ENV 50081-1, ENV 50081-2 (EMC) • IEC 61131-2 (Env.) • IEC/EN 60950 (Safety) • IEC 60601-1-2 (Medical)

OWLAN211g OWSPA311g Kit de desarrollo: cB-OWSPA311gi-01


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2.2.8 DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) DECT (Telecomunicaciones Digitales Inalámbricas Europeas) es una tecnología inalámbrica digital que se originó en Europa, pero ahora se está adoptado a un nivel mundial para teléfonos y oficinas inalámbricas. A primeros de 1980, los teléfonos analógicos inalámbricos empezaron a llegar a los países del Este. Más tarde en 1987, dos principios tecnológicos habían salido, los estándares el CT2 en el Reino Unido y el CT3 en Suecia. Con espíritu de compromiso Europeo se decidió desarrollar una nueva norma DECT a través del ETSI (Instituto de Normas de Telecomunicaciones Europeo) qué cogió lo mejor de CT2 y CT3. Así es como DECT nació en enero de 1988. Este estándar ETSI para voz y datos inalámbricos dentro de un edificio, usa TDMA y TDD. TDMA (Time Division Multiple Access) o Acceso por División Múltiple de Tiempo: es una técnica para multiplexar llamadas múltiples en lo que normalmente solo se podría soportar un canal en una frecuencia de radio. Al dividir el portador en canales de tiempo se soportan múltiples canales. Estaciones móviles que comparten este portador deben tomar turnos al tratar de acceder al portador, cada uno con su canal. Es un sistema de comunicación digital sin hilos para voz y datos en telefonía, conexión punto a punto que permite transmitir hasta 1Mbps en modo bidireccional, trabajando a una frecuencia de 1,9GHz con la tecnología GFSK. Para más información sobre DECT: http://www.dect.ch 2.2.9 HomeRF

El grupo de trabajo HomeRF desde 1998 ha desarrollado una sola especificación SWAP (Shared Wireless Access Protocol) para un amplio rango de dispositivos de gran consumo que pueden trabajar entre ellos. El SWAP es una especificación abierta a la industria que permite a los PCs, periféricos, teléfonos inalámbricos y otros dispositivos de gran consumo compartir y comunicar voz y datos, en y alrededor de la casa, sin la complicación y el gasto de nuevos cableados, en la banda de ISM de 2.4GHz. Con características de tiempo real, esta tecnología puede proporcionar varios canales de voz para telefonía, por lo que se ha dicho es una evolución del DECT europeo (Digital European Cordless Telephone).

HomeRF tiene el impulso adquirido de la industria que necesita dominar el mercado de la red en Casas. Al

contrario de otras normas de LAN inalámbricas, el protocolo de HomeRF proporciona alta calidad, capacidad de voz multi-usuario. HomeRF combina lo mejor tecnología de las redes de datos de banda ancha inalámbricas con la telefonía inalámbrica digital más prevaleciente estándar en el mundo.

Para más información HomeRF: http://www.homerf.org/ http://europe.homerf.org/ http://www.nxp.com

2.2.10 HiperLAN2 Es un sistema de comunicación sin hilos para redes de alta velocidad de transmisión para audio y video de alta calidad. Es una versión mejorada del IEE802.11 que soporta la transmisión de datos en modo síncrono y asíncrono, trabajando en modo OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). En aplicaciones de video se le llama también “Wireless 1394”. Ha sido iniciada por una gran lista de miembros. Para más información sobre HiperLAN2: http://www.nxp.com/1394/ 2.2.11 UWB (Ultra Wide Band) La banda ultra-ancha (UWB) es una tecnología inalámbrica diseñada para redes de área personal (PAN) de corto alcance de tercera y cuarta generación. Con una velocidad de comunicación de 480 Mbps y con un alcance de unos 20 metros. La convergencia que tiene lugar entre los mercados del PC, la electrónica de consumo y los teléfonos móviles ha creado la necesidad de compartir datos de velocidad muy alta entre ellos, como los ordenadores, las videograbadoras personales, las cámaras de fotos, los reproductores de MP3 y otros dispositivos domésticos, con la banda ultra-ancha (UWB) es una tecnología que permite a estas aplicaciones de banda muy ancha para poder transferir datos de forma inalámbrica.

0 121 132 1411 23

FP transmitting PP transmitting

10 ms or 11520 bit

S D Z

32 4388

416.7 µs or 480 bit

368.1 µs or 424 bit

CORD-8.1.0 (E)

Frame

Slot

Packet


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La modulación de banda ultra-ancha se basa en la transmisión de pulsos con unos tiempos de subida y bajada

extremadamente cortos (del orden de unas pocas décimas de nanosegundo). Esos pulsos tan estrechos, se traducen en el dominio de la frecuencia en un espectro de gran ancho de banda, que se extiende prácticamente desde el rango de continua hasta varios GHz.

La frecuencia de trabajo comprende desde los 3,1 GHz hasta los

10,6GHz. En lugar de requerir que una radio de tipo ultrawideband use la banda completa de 7,5 GHz para transmitir información, la FCC definió un ancho de banda de 500 MHz a un nivel de 10 db. Con estos parámetros los diseñadores son capaces de usar una combinación de subbandas de dicho espectro para optimizar el rendimiento de los sistemas, el consumo de energía y la complejidad del diseño. Los sistemas de tipo Ultrawideband pueden realizar la transmisión de información con un bajo consumo energético intercalando el envío de datos a través de cada una de las subbandas.

Esta tecnología se basa en la transmisión de información simultáneamente a través de múltiples portadoras

espaciadas entre sí en unas frecuencias precisas. Lo más probable es que los primeros productos basados en esta tecnología, que seguramente aparecerán en el mercado durante el primer trimestre del año próximo, usen la banda de frecuencias comprendida entre 3,1 y 4,8 GHz, lo que resulta suficiente para el uso de tres subbandas de 500 MHz cada una. En cualquier caso el uso de una banda de frecuencias concreta sería configurable por software, lo que hará que Ultrawideband pueda adaptarse a las frecuencias que se asignen a este tipo de productos por las autoridades de regulación de cualquier parte del mundo.

Desde las primeras investigaciones aplicadas sobre el tema, a finales de los años 60, ha pasado por varias

denominaciones, como ‘carrier-free modulation’, ‘baseband modulation’ o ‘impulse radio’, siendo el de ‘Ultra WideBand Technology’ el último apelativo que se le ha asociado.

Grupos industriales que trabajan con UWB En el Foro de Desarrolladores de Intel en EE.UU., celebrado en la primavera de 2004, Intel anunció la formación del Grupo de promotores de USB inalámbrico. Este grupo planea producir una especificación de bus serie universal inalámbrico (WUSB) basándose en la radio de banda ultra-ancha especificada por la Multiband OFDM Alliance. MBOA y IEEE: Multiband OFDM Alliance, una organización que representa a más de 100 empresas que respaldan una especificación de UWB basada en OFDM, y el IEEE, están trabajando en iniciativas de normalización de UWB y en la creación de un diseño de radio básico que funcione con la capa de convergencia producida por WiMedia Alliance. WiMedia Alliance: WiMedia Alliance tomará la radio fabricada por la MBOA y el IEEE y aplicará una capa de convergencia y una pila de IP en la parte superior. Suministrando una capa de convergencia, el usuario de un PC interesado en ejecutar aplicaciones de WUSB y de W1394 puede ejecutarlas en una única radio. La capa de convergencia permitirá que la radio se pueda compartir entre las dos aplicaciones. WiMedia Alliance: también piensa crear y administrar criterios de certificación de productos para interoperabilidad de varios proveedores de forma similar a lo que hace Wi-Fi* Alliance para 802.11*. De esta forma, WiMedia Alliance podrá proporcionar a los clientes un nivel probado de interoperabilidad. Para más información sobre UWB: http://www.multibandofdm.org/ www.intel.com www.freescale.com http://www.ieee802.org/15/pub/TG3a.html 2.2.12 WiMedia Alliance

WiMedia Alliance tomará la radio fabricada por la MBOA y el IEEE y aplicará una capa de convergencia y una pila de IP en la parte superior. Suministrando una capa de convergencia, el usuario de un PC interesado en ejecutar aplicaciones de WUSB y de W1394 puede ejecutarlas en una única radio. La capa de convergencia permitirá que la radio se pueda compartir entre las dos aplicaciones. WiMedia Alliance también piensa crear y administrar criterios de certificación de productos para interoperabilidad de varios proveedores de forma similar a lo que hace Wi-Fi* Alliance para 802.11*. De esta forma, WiMedia Alliance podrá proporcionar a los clientes un nivel probado de interoperabilidad. NXP ofrece el ISP3582 certificado como wirelessUSB.


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PAN LAN WAN Bluetooth UWB Wireless LAN Cellular 802.15.1 UltraWideBand

MBOA 802.11 a/b/g/n PCS/GSM

Aplicaciones Redes de corto alcance, peer to peer

Interconexión local de alta velocidad, Wireless USB

LAN de media a alta velocidad

Datos i voz en móviles

Rango 10 –100 m 10 m 50 – 150 m 1 km Veloc. De transm. 1-3 Mbps 480 Mbps 11 Mbps (b) – 54

Mbps (a/g) – 100 Mbps (n)

115 kbps (GPRS) – 384 kbps (EDGE) –

2 Mbps (3G)

Banda de Frecuencia 2,45 GHz 3,1 – 10,6 GHz 2,45 y 5,8 GHz 0,9 - 1,8 - 1.9 – 2.2 GHz

Modulación/acceso FSK/PSK OFDM DSSS/CCK CSMA, OFDM

OMSK/QPSK TDMA

Para más información sobre WiMedia: http://www.wimedia.org/ 2.2.13 WiMAX (Worldwide Interoperability for M icrowave Access)

El grupo de trabajo IEEE 802.16 está trabajando en la especialización punto a multipunto BWA (Broadband Wireless Access). Tecnologías Similares, WiMAX es equivalente al competidor en Europa HIPERMAN. WiMAX no entra en conflicto con WiFi, sino que es complementaria. WiMAX es una tecnología inalámbrica MAN (Metropolitan Area Network) que conectará con IEEE 802.11(WiFi) a Internet y proporciona una extensión inalámbrica al cable. IEEE 802.16 proporciona hasta 50 km de rango de área lineal de servicio y permite usar conectividad sin una línea directa de vista a la estación base. La tecnología proporciona velocidades de transmisión de hasta 70 Mbit/s. Esta es una ventaja en que se reduce la latencia y los costosos requerimientos que requieren los accesos a satélite. WiMAX tiene el potencial para habilitar incluso millones de accesos a Internet de forma económica y fácil. La cobertura de WiMAX se mide en kilómetros cuadrados, mientras que WiFi se mide en metros cuadrados. Una estación base WiMAX puede trabajar en un radio de hasta 50 km. Maxim ofrece el transceptor Wimax MAX2837 de 2,3 a 2,7GHz en un solo chip de 48 pins QFN, kit de evaluación MAX2837EVKIT.

Para más información de WiMAX: http://ieee802.org/16 http://www.wimaxforum.org/about http://www.intel.com/ebusiness/pdf/wireless/intel/80216_wimax.pdf


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2.1.14. Certified Wireless USB Wireless USB es un protocolo de comunicación inalámbrica RF con gran ancho de banda, que combina la sencillez de uso de USB con la versatilidad de las redes inalámbricas. Suele abreviarse W-USB o WUSB, si bien el USB-IF, que desarrolla su especificación, prefiere referirse a esta tecnología como “Certified Wireless USB” para distinguirla de otros competidores. Utiliza como base de radio la plataforma UWB (Ultra Wide Band) desarrollada por Wimedia Alliance, que puede lograr tasas de transmisión de hasta 480 Mbps con un alcance de tres metros y 110 Mbps con un alcance de diez metros y opera en los rangos de frecuencia de 3,1 a 10,6 GHz (si bien las legislaciones locales pueden imponer restricciones adicionales sobre los mismos).

Estado Actual de Las Comunicaciones Por Radiofrecuencia

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