Comunicaciones inalámbricas subacuáticas a 2,4 GHz para la transmisión de datos con altas tasas de transferencia

UNIVERSIDAD POLITECNICA DE VALENCIA ESCUELA POLITECNICA SUPERIOR DE GANDIA Grado en Ing. Sist. de Telecom., Sonido e Imagen “Comunicaciones inalámbricas subacuáticas a 2,4 GHz para la transmisión de datos con altas tasas de transferencia” TRABAJO FINAL DE GRADO Autor/a: Dña. Sandra Sendra Compte Tutor/a: D. Jaime Lloret Mauri D. Miguel Ardid Ramírez GANDIA, 2011 Grado en Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación, Sonido e Imagen 1 Grado en Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación, Sonido e Imagen 2 Índice General Índice General 2 Índice de tablas 3 Índice de figuras 4 Agradecimientos 5 Resumen en Inglés 6 Resumen en Castellano 6 Capitulo 1: Introducción y Estado del Arte 7 1.1 Introducción 7 1.2 Objetivos 8 1.3 Estado del arte 8 1.4 Estructura del proyecto 9 Capítulo 2: Características físicas del medio y técnicas de transmisión subacuáticas. 11 2.1 Comunicaciones subacuáticas basadas en ondas electromagnéticas 11 2.1.1 Ondas EM en agua dulce 11 2.1.2 Ondas EM en el agua de mar 12 2.2 Comunicaciones subacuáticas basadas en señales ópticas 14 2.3 Comunicaciones subacuáticas basadas en ondas acústicas 15 Capítulo 3: Modulaciones 20 3.1 Fundamentos teóricos del proceso de modulación de Fase 20 3.2 Transmisión por desplazamiento de fase binaria (BPSK) 21 3.3 Transmisión de desplazamiento de fase cuaternaria (QPSK) 21 3.4 Complementary Code Keying (CCK) 22 Capítulo 4: Escenario, hardware utilizado y estrategias de medición 24 4.1 Lugar de la medición 24 4.2 Elementos utilizados en las pruebas 24 4.3 Estrategias de medida y preparación del escenario 25 Grado en Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación, Sonido e Imagen 3 Capitulo 5: Medidas obtenidas 26 5.1 Medidas realizadas para 2,412 GHz 26 5.2 Medidas realizadas para 2,437 GHz 29 5.3 Medidas realizadas para 2,472 GHz 32 Capítulo 6: Diseño de un nodo multisensor 36 6.1 Implementación de la propuesta 37 Capítulo 7: Conclusiones 40 7.1 Conclusión del trabajo realizado y ámbito de aplicación 40 7.2 Valoración personal 40 7.3 Futuras líneas de investigación 41 Referencias 42 Grado en Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación, Sonido e Imagen 4 Índice de tablas TABLA I. Valor de las constantes 1 6 TABLA II. Modulaciones para IEEE 802.11 b 2 3 TABLA III. Modulaciones para IEEE 802.11 g 2 3 Grado en Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación, Sonido e Imagen 5 Índice de figuras Figura 1. Velocidad de propagación 1 3 Figura 2. Coeficiente de absorción 1 3 Figura 3. Efecto de dispersión 1 5 Figura 4. Velocidad del sonido en función de la profundidad 1 7 Figura 5. Esquema de modulación 20 Figura 6. Modulación PSK 21 Figura 7. Diagrama fasorial de la modulación BPSK 21 Figura 8. Diagrama fasorial de la modulación QPSK 22 Figura 9. Diagrama de radiación horizontal y vertical de un monopolo 24 Figura 10. Topología montada para la toma de medidas 25 Figura 11. RTT a 15, 15.5 and 16 cm para 1 Mbps a 2.412 GHz 26 Figura 12. RTT a 15, 15.5 and 16 cm para 2 Mbps a 2.412 GHz 27 Figura 13. RTT a 15, 15.5 and 16 cm para 5.5 Mbps a 2.412 GHz 27 Figura 14. RTT a 15, 15.5 and 16 cm para 11 Mbps a 2.412 GHz 28 Figura 15. Paquetes recibidos a 2.412 GHz 28 Figura 16. RTT medio del ping a 2.412 GHz 29 Figura 17. RTT a 15, 15.5 and 16 cm para 1 Mbps a 2.437 GHz 29 Figura 18. RTT a 15, 15.5 and 16 cm para 2 Mbps a 2.437 GHz 3 0 Figura 19. RTT a 15, 15.5 and 16 cm para 5,5 Mbps a 2.437 GHz 3 0 Figura 20. RTT a 15, 15.5 and 16 cm para 11 Mbps a 2.437 GHz 3 1 Figura 21. Paquetes recibidos para 2.437 GHz 3 1 Figura 22. RTT medio del ping a 2.437 GHz 3 2 Figura 23. RTT a 15, 15.5 and 16 cm para 1 Mbps a 2.472 GHz. 3 2 Figura 24. RTT a 15, 15.5 and 16 cm para 2 Mbps a 2.472 GHz 3 3 Figura 25. RTT a 15, 15.5 and 16 cm para 5,5 Mbps a 2.472 GHz 3 3 Figura 26. RTT a 15, 15.5 and 16 cm para 11 Mbps a 2.472 GHz 3 4 Figura 27. Paquetes recibidos a 2.472 GHz 34 Figura 28. RTT medio del ping a 2.472 GHz 35 Figura 29. Diagrama de bloques típico de un nodo sensor inalámbrico 36 Figura 30. Conversión TTL - RS232 38 Figura 31. Consumo del nodo sensor subacuático inalámbrico 38 Figura 32. Circuito de alimentación basado en el integrado LM2676 39 Figura 33. Nodo sensor subacuático inalámbrico 39 Grado en Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación, Sonido e Imagen 6 Agradecimientos En primer lugar quería agradecer a mis tutores, Jaime Lloret y Miguel Ardid, por la ayuda prestada, en la realización de este proyecto. En especial, me gustaría agradecer a Jaime, su apoyo y la paciencia que ha tenido, estos últimos meses, tanto durante este curso, como en la elaboración del proyecto. Muchas gracias, por animarme a seguir con el curso y mantenerte a mi lado y no dejar que me rindiese, en aquellos momentos donde los días, resultaban demasiado cortos para poder acabar todo lo que teníamos pendiente. Y por último, agradecer el apoyo incondicional de mi familia y mis amigos y en especial, la ayuda y colaboración de mi padre en la preparación de todas las pruebas llevadas a cabo a lo largo de todo el proyecto. Gracias a todos. Grado en Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación, Sonido e Imagen 7 Resumen en Inglés: Underwater communication networks have become an important field of research for many research groups in the recent years. These types of networks are envisioned to enable applications for oceanographic data collection, ocean sampling, environmental and pollution monitoring, in other. In order to communicate us through the underwater networks, we can use acoustic links, links based on electromagnetic waves and optical signals. Currently, the applications are based in acoustic systems because the sound waves are better adapted to the aquatic environment, although the characteristics of these waves have important limitations. The main problem when using low frequencies is the lack of bandwidth to transmit high data rate. Sometimes wireless sensors must be placed quite close in order to obtain accurate measures from the water, so higher frequency bands could be used in special cases. In this Project of final grade, we measure the maximum coverage distance of underwater wireless sensors when they are placed at about 15 cm underneath the water surface, without having wireless coverage from the air side. In order to characterize the behavior of this communication method, we measure, the number of lost packets and round trip time of pings, for transfer rates of 1 Mbps, 2, 5.5 and 11, working with different modulations at different frequencies for different distances. Resumen en castellano: Las redes subacuáticas de comunicación se han convertido, en los últimos años, en un importante campo de investigación para muchos grupos de investigación. Este tipo de redes se prevén que sean utilizadas, para posibilitar el desarrollo de aplicaciones para la recolección de datos oceanográficos, toma de muestras del océano, la monitorización de contaminación ambiental, en otros. Para poder comunicarnos a través de las redes subacuáticas, podemos utilizar, enlaces acústicos, enlaces, basados en ondas electromagnéticas y señales ópticas. Actualmente, las aplicaciones se basan en sistemas acústicos debido a que las ondas acústicas se adaptan mejor al medio acuático, aunque por las características de este tipo de ondas, presenta limitaciones importantes. El principal problema al utilizar las frecuencias bajas es la falta de ancho de banda para transmitir datos a alta velocidad. Pero, existen casos, donde los sensores inalámbricos ser colocado muy cerca con el fin de obtener medidas exactas del agua, por lo que se podría utilizar las bandas de frecuencia más alta, en casos especiales. En este trabajo final de grado, se mide la distancia de cobertura máxima de sensores inalámbricos subacuáticos cuando se colocan a unos 15 cm por debajo de la superficie del agua, sin la necesidad de tener cobertura inalámbrica desde el lado del aire. Caracterizaremos en comportamiento de este método de comunicación, midiendo, número de paquetes perdidos y el tiempo de ida y vuelta de los pings, instantáneos y medios), para tasas de transferencia de 1 Mbps, 2, 5,5 y 11, que trabajan con distintas modulaciones, en diferentes frecuencias para diferentes distancias. Grado en Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación, Sonido e Imagen 8 Capítulo 1: Introducción 1.1 Introducción Una red inalámbrica Ad-hoc está formada por un grupo de nodos de comunicación que puede establecer y mantener una red ellos mismos sí, sin la necesidad de una estación base o un nodo central (infraestructura), que realice el control de la red. Las redes inalámbricas terrestres, basada en radiofrecuencia (RF), son ampliamente usadas en mucho ámbitos. Desde hace unos años, las redes locales inalámbricas (WLAN) basadas en el estándar IEEE 802.11a/b/g/n han experimentado un crecimiento de mercado espectacular, por la mejora en las prestaciones que ofrecen y por el bajo coste que han adquirido los equipos de transmisión. Sin embargo, cuando nos disponemos a trasladar este estudio al ámbito subacuático, observamos que la mayor parte de estudios que encontramos, están relacionadas con las comunicaciones subacuáticas acústicas. Hoy en día, existe una gran actividad de investigación relacionadas con las comunicaciones subacuáticas y las redes de sensores subacuáticas. La principal línea de investigación se basa en el aumento de la distancia y el ancho de banda, y, en algunos casos, se intenta reducir el consumo energético de los dispositivos subacuáticos, con el objetivo de aumentar el tiempo de vida útil de la red [1]. Los estudios sobre comunicaciones subacuáticas se centra principalmente en el uso de señales ópticas, señales electromagnéticas y en la propagación de señales acústicas y ultrasonidos. Cada técnica presenta una serie de características particulares, con sus ventajas y desventajas, debido principalmente a las características fisicoquímicas del medio [2]. Sin embargo, los problemas con la propagación de cierto tipo de señales a través del agua, hace que en la actualidad, el método más utilizado es el método de la comunicación acústica, ya que es capaz de alcanzar grandes distancias, más de 20 km [3]. Aunque las comunicaciones subacuáticas, basadas en la propagación de señales acústicas es una tecnología ampliamente investigada y probada, sigue presentando una serie de inconvenientes bastante complicados de mejorar. Por una parte, los anchos de banda máximos con los que podemos trabajar están en torno a los 20 Kbps Además el hecho de trabajar cerca de la superficie del agua, se producen muchas reflexiones que pueden enmascarar las señales recibidas. Otros factores como la turbidez, la salinidad, temperatura, etc., también pueden hacer variar tanto la velocidad de propagación del sonido en el agua, como la propia trayectoria de la onda. Cuando necesitamos transmitir mayor ancho de banda, por ejemplo, para la transmisión de video, debemos recurrir al uso de métodos de propagación basados en señales de radiofrecuencia (RF), que son capaces de alcanzar tasas de transmisión de datos de hasta 100 Mbps a distancias cortas. Además, por su naturaleza, este tipo de señales presentan excelente inmunidad a las imperfecciones del medio, aunque pueden verse afectadas por interferencias electromagnéticas, procedentes de otras fuentes, como motores. Para trabajar con anchos de banda mayores a los 100 Mbps, la mejor técnica sería utilizar señales ópticas, para establecer la comunicación entre los nodos. Este método de comunicación, nos permitiría alcanzar velocidades de transferencia de hasta Gbps. Sin embargo, se deben considerar varios factores muy limitantes. El principal problema que presenta este método es las distancias máximas entre nodos, además de ser una tecnología muy sensible a la turbidez y a la presencia de partículas en suspensión. Las comunicaciones ópticas se utilizan en las zonas costeras, donde los métodos acústicos, debido a las reflexiones por la poca profundidad, reducen aún más la velocidad y llegan a perder la característica de una comunicación de larga distancia [4]. En este trabajo final de grado, se va a realizar un estudio práctico del comportamiento de las señales EM basadas en la frecuencia de 2,4 GHz Estas pruebas, se realizan en una piscina grande, de agua dulce. Se establecerá un enlace subacuático, punto a punto, entre las antenas de 2,4GHz de un ordenador y un punto de acceso, debidamente preparadas, para poder ser sumergidas en el agua. Una vez demostrada la viabilidad de las comunicaciones, propondremos el diseño de un nodo multisensor sensor subacuático, que cumpla los requisitos es establecidas, en cuando a tamaño, consumo de Grado en Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación, Sonido e Imagen 15 agua de mar, no se puede propagar ondas EM en el agua de mar. Esta es la principal motivación para trabajar una menor frecuencia en los medios de alta conductividad. El agua de mar es un buen ejemplo de este tipo de medio. Por lo tanto, la comunicación en agua de mar es poco práctica utilizando métodos clásicos basados en la propagación de ondas. 2.2 Comunicaciones subacuáticas basadas en señales ópticas La luz es una mezcla de radiación de diferentes frecuencias. Las señales ópticas utilizadas para las comunicaciones inalámbricas se limitan generalmente a distancias cortas, porque el agua tiene un factor de absorción muy alta en la banda de frecuencias ópticas. No todas las frecuencias dentro del espectro de la luz se ven afectadas de la misma manera. Cada color es una radiación de frecuencia particular. Por esta razón, los colores rojos son los primeros en desaparecer, mientras que los últimos son los colores azul y verde. Las longitudes de onda de colores azul-verde, ofrece un buen rendimiento para comunicaciones de banda ancha (10 Mbps a 150 Mbps) a distancias moderadas entre 10 y 100 metros. En teoría, mediante el uso de señales ópticas para la comunicación bajo el agua, puede alcanzar velocidades de 1 Gbps. Sin embargo, las señales ópticas tienen dos desventajas principales. Por una parte, las partículas en suspensión causan la dispersión de la luz y por otra, debido a las propiedades físicas del agua, las señales ópticas se absorben rápidamente. La propagación de la luz depende del medio atravesado. Por esta razón, la luz no viaja a la misma velocidad en el aire que en el agua. Cuando la luz se propaga en un medio acuoso, su intensidad disminuye exponencialmente, debido principalmente a la atenuación que se produce por dos causas principales:  Absorción: la energía lumínica se convierte en otro tipo de energía, generalmente el calor o energía química. Esta absorción se produce por: o Algas, que utilizan la luz como fuente de energía. o Partículas y materia orgánicas e inorgánicas en suspensión. o Compuestos inorgánicos disueltos. o La propia agua.  Dispersión: Este fenómeno es el resultado de la colisión del haz de luz, con las partículas en suspensión, produciendo múltiples reflexiones. A mayor grado de turbidez en el agua, mayor efecto de dispersión se genera, lo que dificulta la penetración de la luz. La Figura 3 muestra un diagrama sobre el efecto de dispersión de un rayo, cuando el rayo de luz incidente choca contra las partículas en suspensión. En la figura 3 se muestra un diagrama del efecto de dispersión de la luz en el agua, que contiene partículas en suspensión. Como podemos ver, la luz no siempre sigue el camino más corto para iluminar un objeto y muchos rayos llegan a su destino, reflejados en las distintas partículas, siendo desviados de su ruta original. La cantidad de materia orgánica en suspensión contenida en el agua de mar, causa que la intensidad de luz disminuya en la dirección de propagación, ya que es absorbida por estas partículas. Este parámetro se llama coeficiente de absorción o el factor de extinción de la luz, y proporciona el valor de la transparencia del agua. Se han realizado muchos estudios relacionados con las propiedades físicas del mar, utilizando un disco blanco de 30 cm de diámetro llamado disco Secchi [23]. Grado en Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación, Sonido e Imagen 16 Figura 3. Efecto de dispersión Es posible calcular la energía total dispersada por una partícula a través de cálculos muy complicados [24], y el uso de las expresiones de la teoría de la dispersión de Mie [25], que es válido para todas las relaciones posibles del diámetro de las partículas y la longitud de onda de la señal. De acuerdo con la teoría de Mie, cuando la longitud de onda de la luz es similar al diámetro de la partícula, la luz interactúa con las partículas en un área transversal mayor que la sección transversal geométrica de la partícula. Esto nos permite expresar el total de energía dispersada por una partícula en todas las direcciones (véase la ecuación 9) [25]. C =∫∫     (9) Donde  es la intensidad de la luz dispersada,  es la intensidad de la luz incidente,  es el radio de la partícula y  representa el ángulo sólido para el cálculo de toda la superficie de la esfera. Con esta expresión se puede calcular la cantidad de energía del haz de luz que se pierde debido a las colisiones del haz con las partículas en suspensión. Si existe un número elevado de partículas o elevado grado de turbidez en el agua, se registrará mayor absorción del haz de luz en el medio. 2.3 Comunicaciones subacuáticas basadas en señales acústicas El sonido se produce por la vibración de las moléculas en una sustancia elástica. La propagación de la energía mecánica del sonido es absorbida por el medio a través del cual se propaga. En el agua, el sonido se propaga más rápido y tiene menores pérdidas de energía que en el aire. Los sonidos y las ondas sonoras ultrasónicas se transmiten en el mar a una velocidad entre 1400 y 1600 m/s, mientras que en el aire la velocidad de propagación es de 340 m/s. Esto es porque el agua de mar no está comprimida, es decir, no se puede reducir a un menor volumen, por lo que la absorción de las ondas de sonido es mínima, al contrario de que ocurre en la atmósfera, donde los sonidos son absorbidos a distancias muy cortas. Hay varios factores que influyen en la distancia que el sonido puede viajar bajo el agua. Por un lado, las partículas de agua de mar puede reflejar, dispersar y absorber ciertas frecuencias de sonido, de la misma manera que ciertas partículas en la atmósfera puede reflejar, dispersar y absorber ciertas longitudes de onda de la luz. El agua de mar absorbe 30 veces la cantidad de sonido absorbido por el agua destilada, atenuando ciertas frecuencias. Los sonidos de baja frecuencia son capaces de pasar a Rayo Partículas en suspensión Medio Acuático Grado en Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación, Sonido e Imagen 17 través de pequeñas partículas que pueden viajar a mayores distancias sin sufrir ninguna pérdida por absorción o dispersión. Los estudios han demostrado que factores como los cambios de salinidad, temperatura y presión pueden causar cambios bastante acusados en la velocidad de propagación del sonido bajo el agua. En general podemos decir que el océano se divide en capas horizontales en las que la velocidad del sonido depende en gran medida de la temperatura en las regiones altas y la presión en las regiones más bajas. La capa superior del agua se calienta por el efecto del sol, cuya temperatura varía dependiendo de la temporada. En latitudes medias, el agua se mezcla perfectamente por la acción de las olas y las corrientes. Pero también podemos distinguir capas de transición llamada termoclina, donde las temperaturas caen continuamente con la profundidad. A medida que baja la temperatura, la velocidad del sonido disminuye. Sin embargo, hay un punto, que va desde 600 metros hasta el Km. por debajo de la superficie, donde los cambios de temperatura son mínimas. En este caso, la presión, es el factor que más influye en la velocidad del sonido, que a medida que aumenta, también lo hace la velocidad del sonido. La expresión 10 calcula la velocidad de propagación del sonido en el agua, teniendo en cuenta la temperatura (T) en grados Celsius, la salinidad (S) expresada en partes por mil y la profundidad (z) en m [26]. c(T,S,z)=a+ aT+aT+aT+a(S−35)+az+az+aT(S−35)+aTz (10) Donde a1.. a9 representan las constantes, cuyos valores se muestran en la tabla 1. TABLA I. VALOR DE LAS CONSTANTES Constante Valor Constante Valor Constante Valor a1 1448.96 a4 2.374×10-4 a7 1.675×10-7 a2 4.591 a5 1.340 a8 -1.025×10-2 a3 -5.304×10-2 a6 1.630×10-2 a9 -7.139×10-13 Si tomamos la expresión 10 y la representarla, obtenemos la figura 4, que muestra los valores adquiridos por la velocidad de propagación del sonido, teniendo en cuenta el efecto de la temperatura y la variación de presión según la profundidad. Figura 4. Velocidad del sonido en función de la profundidad. 1450 1460 1470 1480 1490 1500 1510 1520 1530 1540 1550 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Velocidad del sonido (m/s) Profundidad (m) Grado en Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación, Sonido e Imagen 18 Las comunicaciones acústicas, bajo el agua, son afectadas principalmente por las propiedades físicas y el comportamiento de las ondas, cuando viajan dentro del medio. Los principales efectos que podemos ver presentes son la absorción, atenuación, expansión geométrica, el ruido, variaciones de retardo y efecto multicamino, entre otros.  Velocidad de propagación. La velocidad de propagación del sonido a través del agua es mucho menor que la propagación de las señales electromagnéticas. La velocidad del sonido en el agua depende de las propiedades del agua como la temperatura, la salinidad y la presión, como se ve en la Figura 4. Una velocidad de propagación del sonido típica, cerca de la superficie del océano, es de unos 1525 m/s, que es de aproximadamente 4 veces más rápido que la velocidad del sonido en el aire, pero de 5 órdenes de magnitud más lento que la velocidad de la luz. En términos aproximados, la velocidad del sonido aumenta 4,0 m/s por cada grado Celsius de aumento de la temperatura del agua. Cuando la salinidad aumenta una unidad práctica de salinidad (PSU), la velocidad del sonido en el agua aumenta 1,4 m/s, mientras que cada km de profundidad, la velocidad del sonido aumenta a unos 17 m/s.  Absorción. Cuando el mar está agitado la energía de las olas es absorbida por el medio, debido a sus características intrínsecas. Cuando las señales acústicas se propagan a través del agua de mar, sufren el mismo efecto, reduciendo su energía inicial. El fenómeno de absorción es más pronunciado en un rango de frecuencias que en otro. Así, por ejemplo, las frecuencias altas (por encima de 100 KHz) son más sensibles a este fenómeno, por lo que podemos asegurar que la absorción es dependiente de la frecuencia. Podemos expresar este comportamiento mediante la expresión 11, que tiene la contribución de las principales sales contenidas en el agua de mar [27]: α=0,106 e() , +0,52󰇡1+ 󰇢󰇡 󰇢 e  ⁄+0,00049fe    (11) Donde α es la atenuación en dB/km, f la frecuencia en KHz, z la profundidad en km, T la temperatura en ° C y S la salinidad en partes por mil. El primer término es la contribución del ácido bórico, el segundo término es la contribución del sulfato de magnesio, y el último término es la contribución del agua pura Cuando una señal se transmite a través de un medio que puede generar pérdidas se deben tener en cuenta varios factores. Los principales mecanismos de pérdidas de energía son la dispersión geométrica, las pérdidas por absorción y dispersión de las pérdidas.  Atenuación. Es causada principalmente por la absorción, cuando la energía acústica se convierte en energía térmica. La atenuación es causada por la dispersión y la reverberación (en la profundidad), la refracción y la dispersión (en las zonas superficiales). La atenuación también se incrementa con la distancia y la frecuencia, tal y como se puede ver en las figuras 1 y 2.  Expansión geométrica. La expansión geométrica es la pérdida de energía de la onda acústica se está propagando, debido a la conservación de la energía. Esto se refiere a la difusión de la energía del sonido como resultado de la expansión de los frentes de onda, es decir, cuando un pulso de una onda acústica se propaga, como el frente de onda se aleja del origen, cubre un área mayor, por tanto, la energía de las olas por unidad de superficie se hace más pequeño. Este fenómeno es independiente de la frecuencia, se pueden distinguir dos expansión geométrica: o Esférica donde la fuente se extiende de modo omnidireccional y es característico en comunicaciones en aguas profundas. Las pérdidas de energía, causado por la expansión geométrica, son proporcionales al cuadrado de la distancia. Grado en Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación, Sonido e Imagen 19 o Cilíndrica. Tiene en cuenta la radiación horizontal y sólo se presentan en las comunicaciones en aguas poco profundas. Las pérdidas de energía en este efecto, son proporcionales a la distancia. Otros factores como el ruido ambiente, la dispersión o el efecto multicamino también pueden dificultar la comunicación bajo el agua.  Ruido. Ruido acústico de comunicación se define como cualquier sonido no deseado que interfiere con la comunicación entre los sistemas de comunicación. Básicamente se pueden distinguir dos tipos de ruido. o El ruido generado. Es el ruido causado por maquinaria, como motores y la actividad natural del medio, como la vida animal. o El ruido ambiental. Se relaciona con los movimientos del agua, mareas y corrientes, tormentas, burbujas de agua cuando las olas chocan con la costa, etc., que pueden generar pérdidas de hasta 26 dB/m. También los fenómenos sísmicos y biológicos pueden considerarse dentro de este grupo. Todos estos fenómenos se conocen como hidrodinámica [28].  Retardo y variación de retardo. Debido a la naturaleza del medio, la variación de retardo de la señal puede ser muy alto y puede llegar a ser muy perjudicial para el diseño eficiente de un protocolo, ya que se complica la estimación del tiempo de ida y vuelta (RTT), un parámetro importante para muchos protocolos de comunicación comunes.  Propagación y dispersión Doppler. La dispersión es el fenómeno por el cual un conjunto de partículas que se mueven en una dirección puede rebotar con las partículas en el medio, y su trayectoria puede desviarse la una línea recta de movimientos predefinidos [28]. Por otra parte, si el mar está en calma, las señales cerca de la superficie, se reflejan casi a la perfección, pudiendo generar diferencias de fase. Sin embargo, cuando el mar está agitado, las olas pueden mover el punto de reflexión de la onda acústica causando pérdidas de energía por dispersión. Estos dos fenómenos pueden provocar la pérdida de intensidad de la señal debido al efecto de trayectoria múltiple.  Efecto multicamino. El efecto multicamino puede causar la degradación de las señales acústica, debido principalmente a la generación de la interferencia entre símbolos (ISI) y la destrucción de la información. La generación de múltiples caminos entre el transmisor y el receptor depende de la configuración del enlace. Si la comunicación se realiza a través de canales verticales, no se registra una pérdida por dispersión muy alta, debido principalmente a que las señales no encuentran obstáculos para reflexionar, mientras que los canales horizontales, debido al efecto de la superficie, pueden sufrir mayores pérdidas. El nivel de dispersión y deterioro de la señal es función de la profundidad y la distancia entre el transmisor y el receptor. Grado en Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación, Sonido e Imagen 20 Capítulo 3: Modulaciones Una modulación, es una operación o transformación mediante la cual ciertas características de una onda (amplitud, frecuencia, fase) de una señal (portadora), se modifican en función de otra denominada moduladora, que contiene información, para que esta última pueda ser transmitida. También podemos decir, que modular es aplicar técnicas para modificar una señal con la finalidad de posibilitar el transporte de informaciones a través de un canal de comunicación y recuperar la señal en su forma original en la otra extremidad. La señal que finalmente se transmite, recibe el nombre de señal modulada. La Figura 5 muestra un esquema típico de modulación. Figura 5. Esquema de modulación En función del tipo de modulación que empleemos, distinguimos modulaciones por pulsos y modulación por onda continua. Además, la señal portadora puede ser de tipo analógico o tipo digital. En nuestros experimentos, utilizaremos las modulaciones por onda continua. En concreto, vamos a emplear las modulaciones con desplazamiento de fase (PSK) [34] y código de codificación complementaria (CCK) [35]. En esta sección veremos los fundamentos teóricos en los que se basan las modulaciones por desplazamiento en fase. Analizaremos las principales características de cada una de las modulaciones que usaremos en las pruebas. Finalmente, y debido a que vamos a usar dispositivos comerciales que funcionan bajo el estándar IEEE 802.11 b/g, analizaremos el estándar y identificaremos cada tipo de modulación, con las distintas velocidades que especifica dicho estándar [19]. 3.1 Fundamentos teóricos del proceso de modulación de Fase En una modulación por desplazamiento de fase, el parámetro de la señal senoidal de la portadora que se va a variar, es la fase, mientras que la amplitud de la portadora permanece constante. En la Figura 6 se puede observar las discontinuidades de fase que parecen al comienzo y al final de cada intervalo T, cuando hay una transición de 0 a 1 o de 1 a 0 producida por una señal modulante digital. En este tipo de modulaciones, podemos distinguir dos alternativas:  PSK convencional, donde la variación de la fase se refiere a la fase de la portadora sin modular.  PSK diferencial. En este tipo de modulación, las variaciones de la fase se refieren a la fase de la portadora del estado inmediatamente anterior al considerado. MODULADOR Señal Moduladora Señal Portadora Señal Modulada Grado en Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación, Sonido e Imagen 21 Figura 6. Modulación PSK Este tipo de modulación, es la más usada para modular señales digitales mediante el uso de módems de datos. 3.2 Transmisión por desplazamiento de fase binaria (BPSK) En este tipo de modulación son posibles dos fases de salida para una sola frecuencia de portadora. Una de las fases representa el “1” y la otra es para el “0”. A medida que la señal digital de entrada cambia, la fase de la salida varía entre 0 y 180°. La Figura 7 representa en diagrama fasorial de la modulación BPSK. Figura 7. Diagrama fasorial de la modulación BPSK 3.3 Transmisión de desplazamiento de fase cuaternaria (QPSK) QPSK es una forma de modulación angular o constante. QPSK es una técnica de modulación donde M=4, es decir, se presentan 4 fases de salida para una sola frecuencia portadora. Debido a que hay 4 fases de salida diferentes, tiene que haber cuatro condiciones de entrada diferentes. Para ello, se necesitan 2 bits a la entrada del modulador para producir 4 posibles condiciones. Éstas son, “00”, “01”, “10” y “11”. La Figura 8 muestra el diagrama fasorial de la modulación QPSK. cos(ωpt) sin (ωpt) → “1”“0”← -sin (ωpt) 0o 180o Grado en Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación, Sonido e Imagen 22 Figura 8. Diagrama fasorial de la modulación QPSK 3.4 Complementary Code Keying (CCK) Complementary Code Keying (CCK) es un esquema de modulación utilizado en las redes inalámbricas (WLAN) que emplean las especificaciones IEEE 802.11b. En 1999, se adoptó esta modulación, para sustituir el código de Barker en redes inalámbricas digitales. Un código complementario contiene un par de secuencias de bits finitos de igual longitud, de tal manera que el número de pares de elementos idénticos (1 o 0) con una separación dada en una secuencia es igual al número de pares de diferencia de elementos que tienen la misma separación en la otra secuencia. Una red que utiliza CCK puede transferir más datos por unidad de tiempo para un ancho de banda dado, que una red que utiliza el código de Barker, porque CCK hace un uso más eficiente de las secuencias de bits. Las redes inalámbricas que utilizan la especificación IEEE 802.11b emplean CCK para operar a velocidades de datos de hasta un máximo teórico de 11 Mbps en RF, en la banda de 2,400 GHz a 2,4835 GHz. Las redes que utilizan la especificación IEEE 802.11g emplean CCK cuando se opera a velocidades de 802.11b. A velocidades más altas (hasta un máximo teórico de 54 Mbps), IEEE 802.11g utiliza un esquema de modulación más sofisticado llamado Orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM). El estándar IEEE 802.11, define el uso de distintos tipos de modulación, en función de las velocidades de transmisión. Su elección se hace en función de la aplicación del sistema Las modulaciones BPSK y QPSK son óptimas desde el punto de vista de la protección de error. BPSK se utiliza para transmisores de bajo costo que no requieren de altas velocidades. La modulación CCK permite codificar varios bits de datos directamente en un solo chip de 64 bits con ocho secuencias. Por lo tanto, el método CCK puede alcanzar una velocidad máxima de 5.5 Mbps mediante la codificación de 4 bits a la vez o hasta 11 Mbps mediante la codificación de 8 bits de datos. Las redes de área local que funcionan bajo las variantes IEEE 802.11b y IEEE 802.11g, permite una gran variedad de modulaciones. La tabla 2 identifica las modulaciones y las tasas máximas de transferencia que utiliza la variante IEEE 802.11b, mientras que la tabla 3 muestra las modulaciones y las tasas máximas de transferencia para IEEE 802.11g. “10” “01” “11” “00” 45o -45o 135o -135o Grado en Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación, Sonido e Imagen 23 TABLA II. MODULACIONES PARA IEEE 802.11 B Velocidad 1 Mbps 2 Mbps 5.5 Mbps 11 Mbps Modulación BPSK QPSK CCK CCK IEEE 802.11 b TABLA III. MODULACIONES PARA IEEE 802.11 G Velocidad 1 Mbps 2 Mbps 5.5 Mbps 6 Mbps 9 Mbps 11 Mbps 12 Mbps 18 Mbps 24 Mbps 36 Mbps 48 Mbps 54 Mbps Modulación BPSK QPSK CCK OFDM OFDM CCK OFDM OFDM OFDM OFDM OFDM OFDM IEEE 802.11 g Grado en Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación, Sonido e Imagen 24 Capítulo 4: Escenario, hardware utilizado y estrategias de medición. En esta sección, describimos el escenario donde se han realizado la toma de medidas y el hardware y el software utilizado para realizar nuestras pruebas. También explicaremos las pruebas preliminares que se realizaron, para poder empezar a tomar medidas. 4.1 Lugar de la medición Con el fin de hacer las medidas, hemos utilizado una piscina de 32 m2 superficie, con una longitud de 8 metros y 4 metros de ancho. Se trata de una piscina de obra cuyas paredes están cubiertas por pequeños azulejos de gresite. La profundidad de la piscina oscila entre 1,5 m y 1,80 m. Hemos elegido esta estructura con el fin de evitar cualquier tipo de reflexión en las paredes, suelo y superficie del agua, debido al cambio de medio. Las mediciones se realizan en agua dulce, cuya temperatura es de 27° C. Además, el valor de pH es de 7,2 y la cantidad de cloro y bromo disuelta en el agua es 0,3 mg / l. 4.2 Elementos utilizados en las pruebas Para realizar las pruebas hemos utilizado un punto de acceso (AP) inalámbrico Dlink DWL2100AP, con una antena, de tipo monopolo. Este AP puede trabajar bajo las variantes IEEE 802.11b/g. Puede ser configurado para trabajar como AP inalámbrico, como bridge, con conexión punto a punto, con otro AP, como bridge inalámbrico, con conexión punto-multipunto o como cliente inalámbrico. Su potencia de salida, está entorno a los 16 dBm. Por otro lado, el monopolo vertical o antena vertical es una antena constituida de un solo brazo rectilíneo irradiante en posición vertical. Como se considera que un monopolo no es una antena completa, necesita ser completada por un plano de masa para poder funcionar correctamente. Ese plano de masa puede ser natural (por ejemplo, una superficie de agua que facilite la conducción de electrones), o bien artificial (una serie de conductores que se unen en la base del monopolo). La figura 9 muestra los diagramas de radiación típicos, tanto en el plano horizontal, como en el vertical, de un monopolo. Figura 9. Diagrama de radiación horizontal y vertical de un monopolo. También utilizamos un portátil, que usaremos, como segundo dispositivo en la red. Lo utilizaremos como sistema de monitorización de la red, desde fuera del agua. Para la conexión de las Grado en Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación, Sonido e Imagen 31 Figura 20. RTT a 15, 15.5 and 16 cm para 11 Mbps a 2.437 GHz. La figura 21 muestra la comparación del número de paquetes entregados cuando el sistema está transmitiendo a 2,437 GHz. Vemos que el mejor comportamiento se muestra para las tasas de transferencia de 1 Mbps, mientras que la peor muestra es para tasas de 11Mbps. Figura 21. Paquetes recibidos para 2.437 GHz. En la Figura 22 mostramos la comparación del valor promedio de RTT del ping, cuando el sistema está transmitiendo a 2,437 GHz. Podemos ver que los valores más bajos de tiempos, se registran para las tasas de transferencia de 1 y 2 Mbps, mientras que el peor de los casos se muestra para 5.5 Mbps. 0 50 100 150 200 250 300 0 10 20 30 40 50 RTT del ping (ms) Número de muestras 15 cm 15,5cm 16cm 0% 20% 40% 60% 80% 100% 12 14 16 18 Paquetes recibidos (%) Distancia entre antenas (cm) 1Mbps 2Mbps 5,5Mbps 11Mbps Grado en Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación, Sonido e Imagen 32 Figura 22. RTT medio del ping a 2.437 GHz. 5.3 Medidas realizadas para 2,472 GHz La Figura 23 muestra el valor de RTT para 1 Mbps cuando transmitimos a 2,472 GHz. A los 15 cm el valor medio de ida y vuelta del ping es de 24 ms. Para distancias de 15,5 cm, calculamos un valor medio de RTT, a partir de las muestras recibidas, de 45 ms., mientras que a los 16 cm, las pocas muestras recibidas tienen un valor medio de 58 ms. Figura 23. RTT a 15, 15.5 and 16 cm para 1 Mbps a 2.472 GHz. La Figura 24 muestra el RTT para tasas de transferencia de 2 Mbps. Como podemos ver, para distancias de 15 cm, el valor promedio es de 16 ms., manteniéndose bastante estable durante todo el periodo de simulación. En 15,5 cm, el sistema presenta varios picos cercanos a los 40 ms., mientras que a los 16 cm, apenas se registraron muestras, aunque su valor de RTT, estuvo cercano a los 26 ms. 0 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 12 14 16 18 20 RTT medio del ping (ms) Distancia entre antenas (cm) 1Mbps 2Mbps 5,5Mbps 11Mbps 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 10 20 30 40 50 60 RTT del ping (ms) Número de muestras 15 cm 15,5cm 16cm Grado en Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación, Sonido e Imagen 33 Figura 24. RTT a 15, 15.5 and 16 cm para 2 Mbps a 2.472 GHz. La Figura 25 muestra el valor de tiempo de ida y vuelta del ping para 5.5 Mbps. A simple vista, observamos que se tratan de los peores resultados, que hemos recogido, mostrando un comportamiento, poco estable. Por una parte, tenemos que para distancias entre dispositivos, de 15 cm, obtenemos un valor medio de aproximadamente 50 ms. Para distancias de 15,5 cm, el valor promedio es de 167 ms., mientras que para los 16 cm, las pocas muestras recibidas, presentan retardos medios de 200ms. Figura 25. RTT a 15, 15.5 and 16 cm para 5,5 Mbps a 2.472 GHz. La Figura 26 muestra el valor de RTT para 11 Mbps. A 15 cm del sistema tiene un pico de 474 ms. en la muestra 58, mientras que su valor medio se sitúa en 14 ms. En 15,5 cm, el valor promedio está alrededor de los 20 ms., con algunos picos, que superan los 50ms. Por último, a los 16 cm, las muestras recibidas tienen un valor medio de 29 ms. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 10 20 30 40 50 60 RTT del ping (ms) Número de muestras 15 cm 15,5cm 16cm 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 10 20 30 40 50 60 RTT del ping (ms) Número de muestras 15 cm 15,5cm 16cm Grado en Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación, Sonido e Imagen 34 Figura 26. RTT a 15, 15.5 and 16 cm para 11 Mbps a 2.472 GHz. La figura 27 muestra una comparación de la cantidad de paquetes recibidos cuando el sistema está trabajando a 2,472 GHz. A diferencia del caso anterior, ahora, las tasas de transferencias de 11 Mbps, muestran un comportamiento ligeramente mejor, que el resto de velocidades, aunque la velocidad de 1Mbps, sigue mostrándose más estable en todo el dominio de la prueba. El peor resultado se obtiene de 2 Mbps. Figura 27. Paquetes recibidos a 2.472 GHz. La figura 28 muestra la comparación del valor medio del RTT del ping cuando el sistema transmite a 2,472 GHz. En este caso, el comportamiento es idéntico para los tres casos. 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 10 20 30 40 50 60 RTT del ping (ms) Número de muestras 15 cm 15,5cm 16cm 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 12 14 16 18 Paquetes recibidos (%) Distancia entre antenas (cm) 1Mbps 2Mbps 5,5Mbps 11Mbps Grado en Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación, Sonido e Imagen 35 Figura 28. RTT medio del ping a 2.472 GHz. Como hemos visto en las anteriores imágenes, cuando aumentamos la frecuencia, el número de paquetes recibidos, tiende a reducirse. Por los resultados, parece que la modulación más perjudicada, por el aumento de la frecuencia es CCK. Por otra parte, la modulación BPSK, que se utiliza para tasas de transferencia de 1 Mbps, resulta ser bastante estable en todas las pruebas, mientras que si analizamos los valores de RTT, podemos ver, que existe una ligera tendencia a unificar los valores de las tres modulaciones, tal y como hemos podido ver en la Figura 28. Por otra parte y contrariamente a lo que pensábamos inicialmente, parece que el funcionamiento global, mejora ligeramente, cuando trabajamos a 2.437 GHz que a 2.412 GHz, pues ganamos 1 cm. 0 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 12 14 16 18 20 RTT medio del ping (ms) Distancia entre antenas (cm) 1Mbps 2Mbps 5,5Mbps 11Mbps Grado en Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación, Sonido e Imagen 36 Capítulo 6: Diseño de un nodo multisensor Hasta ahora, hemos podido comprobar, mediante las baterías de medidas realizadas, que es viable implementar una red subacuática basada en enlaces electromagnéticos. Como uno de los requisitos que debe cumplir un nodo sensor inalámbrico, es que sea pequeño y que además, sea alimentado con baterías o fuentes de energía alternativa, en este capítulo, proponemos el diseño de un nodo subacuático multisensor, que pueda ser utilizado, en una red como la que hemos estado probando. Cuando hablamos de nodos sensores, solemos tener en cuenta una serie de características [5]. Un nodo sensor es un dispositivo electrónico que se utiliza como una interfaz entre las magnitudes físicas que se pueden detectar dentro de un medio y una red inalámbrica de datos [37, 38]. Un nodo se compone de cuatro partes principales: (1) fuente de alimentación, que consiste en una batería y una serie de convertidores DC/DC, (2) unidad de procesamiento, que por lo general consiste de un pequeño procesador y memoria, (3) los sensores físicos y (4) el circuito de transmisor-receptor, es decir, un sistema de radio que debe estar formado por un transmisor y un receptor o un sistema dual que sea capaz de realizar ambas funciones. La Figura 29 muestra el diagrama de bloques de un nodo sensor inalámbrico típico. Figura 29. Diagrama de bloques típico de un nodo sensor inalámbrico.  La Unidad Central de Procesamiento (CPU). Es responsable de la lectura de los sensores físicos y de extraer información relevante. También se encarga de la digitalización de los datos y de la aplicación de los protocolos de red. La CPU de un nodo sensor inalámbrico determina tanto la energía, como las capacidades de cómputo de un nodo sensor.  El sistema de radio. Permite la comunicación inalámbrica entre los nodos de la red y con el mundo exterior. Factores tales como esquema de modulación, transmisión de datos en la red, potencia de transmisión y ciclo de trabajo puede afectar directamente a las características de consumo de energía del sistema global. En general, un nodo puede trabajar básicamente en tres modos de funcionamiento diferentes: activo (ya sea transmitir o recibir), reposo y el sueño. Algunos estudios sobre los protocolos de enrutamiento y WSN muestran que, contrariamente a la creencia popular, el consumo de energía en modo de espera es bastante alto, comparable a la energía que se consume en el modo activo [39]. Por esta razón, se recomienda apagar completamente el receptor de radio cuando no se va a utilizar. Por otra parte, algunas BATERÍA DC/DC SISTEMA DE RADIO DC/DC CPU MEMORIA ADC ADC ADC SENSOR SENSOR SENSOR RX TX Magnitudes Físicas (Temperatura, Humedad, Ph, Salinidad, Velocidad, Posición…) Transmisor Receptor Grado en Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación, Sonido e Imagen 37 cuestiones relacionadas con el periodo de transición entre los distintos estados y la cantidad de energía disipada, en esos instantes, debe ser considerada.  Sensores. Son transductores que se encargan de transformar una magnitud física o química (variable instrumental) en una señal eléctrica útil. Algunos ejemplos de variables de instrumentación son la temperatura, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, humedad y pH. La señal eléctrica se puede reflejar como un cambio de magnitud en el propio sensor, como la resistencia o la capacidad [40].  Baterías. Son elementos complejos cuyo funcionamiento depende de muchos factores incluyendo el tamaño de la batería, el material del electrodo y la velocidad de difusión de los materiales activos en el electrolito. Hay muchos tipos de baterías recargables y no recargables que se pueden utilizar en aplicaciones de WSN. De acuerdo con su composición electroquímica, que determina la eficiencia energética, podemos distinguir entre Ni-Cd, Ni-Zn, Ag Zn, Ni-MH y las baterías de iones de litio, entre otros. Hay algunos efectos importantes a considerar, al igual que el efecto de la relajación y el efecto de la capacidad nominal [37], que determinan en gran medida la duración de la batería. Es posible recargar la batería del nodo sensor con la energía extraída del medio ambiente, como la luz, el viento, las vibraciones [41] y de campos electromagnéticos.  Convertidores DC/DC. También llamados reguladores de voltaje, son responsables de proporcionar los voltajes apropiados para los diferentes circuitos en el nodo sensor. Los reguladores lineales tienen más pérdidas de energía, que los reguladores conmutados (pérdida de energía típicos entre el 5-15%). 6.1 Implementación de la propuesta Las características que buscamos en nuestro nodo sensor inalámbrico subacuático son, por una parte, que tenga un tamaño reducido y que su consumo sea tan bajo como sea posible. Además, queremos que permita conectar diversos tipos de sensores, con distintas interfaces. Y por último que permita la compatibilidad entre dispositivos. Para ello, hemos seleccionado una serie de componentes, las características de los cuales, iremos viendo. Para la implementación de nuestro nodo sensor inalámbrico utilizaremos el MatchPort [42]. El MatchPort b/g de Lantronix, es un sistema embebido que actúa como una pasarela entre una red inalámbrica basada en los estándares IEEE 802.11 b/g y una red de datos cableada conectada a él mediante un puerto Ethernet. Lleva también incorporados dos juegos de pines para implementar dos puertos RS-232 y 8 GPIO configurables desde su interfaz gráfica, para controlar otros tipos de sensores, que se basa su funcionamiento en sistemas ON/OFF. Sus terminales son basados en la tecnología CMOS con niveles lógicos de 3.3V, con velocidades de trabajo que pueden oscilar entre los 300bps y los 921Kbps. Las tramas pueden ser de 7 u 8 bits con 1-2 bits de parada. Además puede configurarse con paridad par/impar o simplemente sin paridad e incluso decidir entre el empleo de control flujo, empleando las señales (CTS/RTS) o no, y simplemente se emplean las señales TX y RX. Funciona con un procesador tipo SoC con 256KB de memoria SRAM y 2MB de memoria Flash para almacenar páginas web y el propio firmware del dispositivo. La antena que se utiliza tiene una ganancia de 2 dBi. Mediante el Integrado Max233CPP, convertimos las señales procedentes del MatchPort, con niveles lógicos TTL a señales con niveles lógicos acordes con lo estipulado en el estándar RS-232. Existen diversos integrados con la misma función, con distintos valores de alimentación y otras configuraciones. Nosotros hemos optado por esta, puesto, que es de las pocas que admite ser alimentado a 3,3 V y porque es la que menos componentes pasivos presenta y consecuentemente, la que menor consumo tendrá. La configuración elegida, es la mostrada en la Figura 30. Grado en Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación, Sonido e Imagen 38 Figura 30. Conversión TTL-RS232 Con los interruptores, podemos conmutar entre el tipo de salida que se desea, RS-232 o TTL. En la primera de las opciones, la señal procedente del MatchPort, pasa a través del Max233cpp hasta llegar al conector DB9; La opción TTL, lleva las señales procedentes del MatchPort directamente al puerto. Otro requisito que buscamos para nuestro nodo es que su consumo sea lo más reducido posible, con el único objetivo de prolongar la vida útil de la red. Para las pruebas preliminares, hemos realizado un sencillo montaje con el fin de alimentar el dispositivo con baterías. Ya que el sistema se alimenta a 3,3 V, hemos empleado un regulador de tensión LDO 98AGL52B y un pequeño condensador para filtrar la tensión de salida y evitar las fluctuaciones de voltaje. La Figura 31 muestra la evolución del consumo de energía, en función del tiempo y el consumo medio del dispositivo. Como podemos ver, el dispositivo presenta un consumo medio de energía en modo activo de 460 mW. Al transmitir o recibir datos, el consumo de energía aumenta a 594 mW, mientras que el dispositivo consume alrededor del 1,1 W en su fase de inicialización, que dura aproximadamente 10 segundos. El comportamiento del dispositivo se ha sido objeto de seguimiento durante 2,5 minutos, y tras haber iniciado el sistema, se han realizado envíos cada 30 segundos. Figura 31. Consumo del nodo sensor subacuático inalámbrico. En realidad, la idea final que perseguimos, para la parte de alimentación es emplear un regulador de corriente como por ejemplo el LM2676, que nos permita alimentar al nodo con baterías de mayor tamaño y desde el propio circuito, extraer los 3.3V o 5 V que requieran los integrados. El diagrama del circuito que podemos utilizar es el mostrado en la Figura 32. P2 CONNECTOR DB9 5 9 4 8 3 7 2 6 1 Puerto RS-232/TTL TTL SW21 32 TTL RS-232 RS-232 U2 MAX233 14 12 17 5 18 4 19 8 13 11 15 16 2 1 3 20 10 6 97 V+ VVT1OUT T2OUT R1IN R2IN C1+ C1C2+ C2+ C2T1IN T2IN R1OUT R2OUT C2GND GND VCC RXD1 TXD1 SW11 32 RXD1 TXD1 GND 3V3_S GND 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 0 20 40 60 80 100 120 Potencia (W) Tiempo (s) Potencia instantánea (W) Valor Medio (W) Grado en Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación, Sonido e Imagen 39 Figura 32. Circuito de alimentación basado en el integrado LM2676. La función principal de este dispositivo es tomar la señal de alimentación de entrada y convertirla a la tensión de salida que nosotros deseamos. La energía que no es utilizada por el circuito de carga será almacenada en los condensadores que lleva conectados. Con ello nos aseguramos que en el caso de que el circuito que tenemos conectado a la salida, tenga consumos puntuales superior a los 1,2 W, el suministro no quedará entrecortado. La Figura 33 muestra el modelo en sus primeras fases de desarrollo para realizar nuestras pruebas. Figura 33. Nodo sensor subacuático inalámbrico. Con el fin de realizar las pruebas, se colocó el dispositivo en una caja sellada para que sea resistente al agua y la variación de la presión atmosférica. Se realizaron de nuevo las pruebas llevadas a cabo con el punto de acceso y el portátil, pero en este caso, con el nodo implementado y el portátil. Los resultados obtenidos han sido prácticamente idénticos. Cout Cb - - + Señal de entrada L no regulada R2R1 D 1 2 + LM2676 3 4 6 2 1 7 CB GND FB VIN VOUT ON/OFF regulada Cin Señal de salida Grado en Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación, Sonido e Imagen 40 Capítulo 7: Conclusiones Para llevar a cabo este proyecto se han empleado aproximadamente unos 3 meses y medio. Durante este tiempo hemos estado investigando sobre el comportamiento de las señales electromagnéticas bajo el agua. Nuestro objetivo inicial en este trabajo, ha sido comprobar la viabilidad de implementar enlaces inalámbricos subacuáticos, utilizando señales electromagnéticas. Para ello, hemos empleado dispositivos comerciales, compatibles con el estándar IEEE 802.11b, que permitiesen configurar diferentes tasas de transferencia y modulaciones. Para ello, hemos realizado una serie de medidas, con el objetivo de caracterizar el comportamiento de un nodo de sensor subacuático inalámbricos. Una vez comprobado la posibilidad de establecer enlaces subacuáticos, hemos propuesto e implementado el diseño de un prototipo de un nodo multisensor, capaz de transmitir a altas tasas de transferencia. Finalmente, hemos comprobado el funcionamiento del nodo implementado. 7.1 Conclusión del trabajo realizado y ámbito de aplicación Hemos realizado varias pruebas con diferentes frecuencias y modulaciones con el objetivo de comprobar varios parámetros como la profundidad mínima, la distancia entre los dispositivos y características de la señal de transmisión. El primer factor que observamos, es que contrariamente a lo que pensábamos inicialmente, ya que en principio, al aumentar la frecuencia, también lo hacía la atenuación, parece que el funcionamiento global del sistema, mejora ligeramente, cuando trabajamos a 2.437 GHz que a 2.412 GHz, pues ganamos 1 cm., de distancia, entre los dispositivos. Además, como hemos podido ver, parece que la modulación BPSK presenta mayor estabilidad que el resto de modulaciones analizadas, aunque cuando se aumenta la frecuencia, también vemos aumentar el valor del tiempo de ida y vuelta del ping. Sin embargo, y a pesar de este hecho, la cantidad de paquetes recibidos es todavía mejor que en el resto de casos. Es posible que BPSK pueda parecer mejor, en comparación con otras modulaciones, ya que esta modulación utiliza sólo dos símbolos, de modo que la probabilidad de errores que tiene, es menor. Este tipo de redes pueden utilizarse para controlar el agua superficial con suficiente precisión, especialmente en los estanques donde hay algunas plantas venenosas que pueden contaminar el agua. Hay otros casos en los pantanos, donde la calidad del agua de la superficie es diferente dependiendo de la temporada. En verano, cuando hace más calor y hay más horas de sol, el agua superficial puede contener material orgánico. El pH es diferente y la contaminación que puede provenir de industrias y carreteras cercanas puede resultar complicada de eliminar. Estas aguas superficiales de baja calidad, no son óptimas para el consumo humano, pero pueden ser utilizadas por las industrias para hacer funcionar sus plantas y proveer de agua el sistema de refrigeración de las mismas. Como último ejemplo, esta red puede utilizarse, en aplicaciones del proyecto del telescopio de neutrinos, sistema que se ubica a 3000m de profundidad [43]. A estas profundidades, cualquier pieza de material empleada para sellar las esferas tiene un precio bastante elevado. Con este tipo de redes, podría realizarse dicha comunicación, sin la necesidad de realizar orificios en la esfera. 7.2 Valoración personal De la realización de este trabajo, como del resto de trabajos finales de titulación que he podido realizar, creo que aparte de lo meramente material, extraído del trabajo, como son las publicaciones y las conclusiones y conocimientos adquiridos, que nos pueden abrir nuevas líneas de investigación, para proseguir con mis estudios de doctorado, debemos considerar otro tipo de aprendizajes.