Alfonso Alva David Muñoz Rodríguez Luis Fernando González

Tecnologías inalámbricasAlfonso Alva

David Muñoz RodríguezLuis Fernando González Pérez

Jair Mercury GonzálezRamón Rodríguez Cruz

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13.1.1 DefiniciónDebido a que las tecnologías inalámbricas se expanden en un rango muy amplio de aplicaciones esta investigación no aborda todos los posibles usos sino los más representativos, a continuación proponemos una clasificación de tecnologías inalámbricas:

Redes inalámbricas 1. ad-hoc y de sensores Redes de comunicación multimedia inalámbrica2. Redes de comunicación celular3.

En general la primera categoría concierne al diseño e implantación de redes inalámbricas capaces de captar información del entorno para propósitos de mo-nitoreo y control. Estas redes se emplean para un número nutrido de aplicaciones que van desde la investigación ecológica hasta la automatización industrial, moni-toreo de vehículos, optimación logística de centros de salud, etc. En muchos casos acciones apropiadas deben de tomarse ante la ocurrencia de determinados even-tos. Estas acciones pueden estar dirigidas por redes inalámbricas de nodos con capacidad de actuar. Las principales características de esta categoría de sistemas inalámbricos la constituyen su cobertura modesta de corto alcance, su capacidad media o baja de transmisión de información y su bajo consumo de potencia.

13.1 Descripción

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180LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS

CAPÍTULO 13: TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS

En la segunda categoría, como lo sugiere el título, colocamos a todas las tecnolo-gías inalámbricas de alta velocidad. Por alta velocidad nos referimos a la capacidad de transmitir contenido multimedia (audio y video) en tiempo real. Ejemplos de esta cate-goría son las redes inalámbricas que soportan transmisión continua de audio y video, video conferencia, etc. La principal característica en esta categoría es el flujo masivo de información en ambientes interiores y regiones metropolitanas. Esta categoría puede subdividirse a la vez en redes inalámbricas de área personal (wpan), redes inalámbricas de área local (wlan) y redes inalámbricas de área metropolitana (wman). Es notable como esta categoría no depende del área de cobertura sino de la cantidad de informa-ción que comunica.

La última categoría está relacionada con las comunicaciones celulares convencio-nales, es decir, comunicaciones de voz y datos dentro de una red metropolitana. La principal característica en esta categoría es el área de cobertura, así como la tasa de transmisión de entre 200 y 380 kbps. Dentro de esta clasificación tenemos a las tecnolo-gías gsm y su evolución hasta umts (3g) por un lado y a cdma y su evolución por el otro. En un futuro cercano se espera que estas dos últimas categorías se mezclen en una sola área de sistemas inalámbricos y comunicaciones móviles conocida como “sistemas de comunicación 4g”

13.1.2 DetonadoresLos sensores y actuadores trabajando juntos y formando redes proporcionan inteligencia en la fábrica, en la granja, en la oficina, en la clínica, en el supermercado, etc. Esta inteli-gencia permite un uso más eficiente de los recursos y evitar accidentes, lo que a su vez reduce considerablemente los costos de la empresa. Se desarrollarán nodos capaces de reunir información del ambiente y de activar mecanismos de una forma automática, de dimensiones pequeñas, con capacidad de procesamiento y baratos; para poder ser vendidos por millones por todo el mundo y ser costeables. Cuando una masa crítica se alcanza, un estándar puede ser desarrollado y un efecto amplificador con una retroali-mentación positiva se logra. Las tendencias en redes inalámbricas de sensores seguirán esta regla.

Nodos inalámbricos con sensores, actuadores y electrónica de radiofrecuencia son el tipo de dispositivo que puede ser construido como un “Sistema Inteligente en un Chip” (isoc) por sus siglas en inglés. Para permitirles a estos dispositivos un tamaño más pe-queño, se conduce investigación en semiconductores basada en silicio. La madurez de esta investigación se espera para el año 2015 en el cual dispositivos confiables y baratos con baja potencia de disipación se podrán construir. El éxito no depende solamente de los avances en las tecnologías de silicio pero en una mezcla de microelectrónica y fotónica con nano-química y biotecnología. El futuro de los isocs permitirá el desarro-llo de nuevos circuitos y sistemas con propiedades nuevas extraordinarias relevantes para casi cualquier sector de la economía. Esta integración apoyada en la biotecnología




proporciona los cimientos para un futuro en el que el sensado , la percepción de las imá-genes, el procesamiento de información y las comunicaciones puedan ser integrados.

Para poder comunicar estos nuevos dispositivos híbridos se requiere de una platafor-ma. Se necesitan desarrollar nuevos protocolos y establecerse estándares. La construc-ción de los circuitos integrados nos impone límites en las bandas de frecuencia a las que pueden operar. La compatibilidad electromagnética de los futuros dispositivos dentro de los nodos determinará las cotas en las frecuencias de operación. Las tecnologías actual-mente estandarizadas guiarán la futura investigación. Es por ello que podemos esperar el uso de sistemas móviles, reconfigurables y redes inalámbricas personales basadas en el estándar ieee 802.15 y sus estándares derivados mencionados anteriormente. Siempre que las redes bajo estos estándares puedan coexistir pacíficamente e interactuar entre ellos de manera eficiente, el desarrollo e integración de redes de sensores y actuadores será económicamente posible muy pronto.

Algunas redes formadas por dispositivos de sensado interconectados entre sí, son capaces de recuperar y retransmitir contenido multimedia en forma de cadenas de sím-bolos de audio y video, imágenes estáticas y datos provenientes de las variables sen-sadas. Cuando estas redes logran la comunicación descrita a través de un medio ina-lámbrico se les denomina Redes Inalámbricas Multimedia de Sensores (wmsn) por sus siglas en inglés. Aplicaciones existentes que utilizan redes de sensores incluyen rastreo, automatización de enseres domésticos, monitoreo ambiental, vigilancia y reconocimiento del campo de batalla. El avance en el desarrollo de estas aplicaciones se debe en gran medida a la evolución de redes wmsn. Algunas otras aplicaciones serán habilitadas gra-cias al uso de estas redes próximamente, tal es el caso de los sistemas de vigilancia mul-timedia, los sistemas de control y disminución de tráfico vehicular, el aprovisionamiento de servicios avanzados de salud y los servicios de localización de personas.

Adicionalmente a la integración de redes automáticas que sensan un dispositivo externo y actúan de acuerdo a la información recabada de a cuerdo con una máqui-na de estados finita, existen esquemas que demandan intercambio de información. Tecnologías pasivas que actúan cuando son interrogadas por un mecanismo ina-lámbrico pueden ser administradas y respuestas en tiempo real pueden ser activa-das. Esta comunicación inalámbrica pasiva es un elemento nuclear de colaboración inter empresarial subyacente en muchos modelos emergentes extendidos en los negocios, la seguridad en el hogar y otros dominios. El ejemplo primordial es el de identificación por radiofrecuencia presente en las cadenas de suministro (tales como Wal-Mart, FedEx o Cisco). El siguiente paso es el de rastreo de patrones en los consumidores de manera que se puedan identificar preferencias hacia ciertos productos por zonas. Esto permitiría un mecanismo eficiente de desplazamiento de mercancía. Esta aplicación impone retos tanto en el desarrollo de etiquetas de rfid poderosas como en procesos de minería de datos.




Dentro de las áreas militares el número de aplicaciones es enorme. Es precisamente en este nicho en el que nacieron las tecnologías de redes de sensores y redes auto con-figurables. Debido a que el retorno de inversión no es la prioridad para la investigación de la marina y la armada, se espera que audaces líneas de investigación usando nuevos materiales y diferentes bandas de frecuencia sean adoptadas por este sector de la eco-nomía con el propósito de desarrollar aplicaciones de guerra.

La tendencia más clara es la de la interconexión e interacción de redes reconfi-gurables de sensores inteligentes entre sí y con otros dispositivos inalámbricos en otras redes inalámbricas. Esta tendencia obedece a la necesidad de proporcionarle a la gente información en tiempo real independientemente del momento y lugar en el que se encuentren con el fin de incrementar su productividad y capacidades de competitividad.

En el presente las tecnologías inalámbricas de alta velocidad están experimentando una enorme cantidad de mejoras gracias a los recientes avances en la teoría de teleco-municaciones y diseño electrónico en la muy alta escala de integración (vlsi) por sus siglas en inglés. Por ejemplo, en el área de uwb se espera que este año los primeros dispositivos electrónicos para consumo con esta tecnología se encuentren disponibles en el mercado. Esto hará posible la transmisión de aplicaciones multimedia en alcances cortos con mucho menos consumo de batería que lo que sus contrapartes convencio-nales actuales.

En el área de Wi-Fi desde el año pasado ha habido muchas actividades alrededor de la estandarización del ieee 802.10. La nueva versión de este estándar, el 802.11n, es una especificación tendiente a incrementar la velocidad de red, confiabilidad y distancia de operación de las redes inalámbricas. El rendimiento en la transmisión de datos sin encabezado se espera que alcance los 600 Mbps o más de 10 veces el rendimiento del estándar 802.11g. La tecnología clave para que el nuevo estándar alcance un rendi-miento de 600 Mbps es el uso de sistemas mimo que utiliza múltiples antenas en ambos sentidos. En la fuente de información o transmisor y en el destino o receptor de manera que se minimicen los errores y se optime la velocidad de la transmisión de datos.

En cuanto a wimax podemos decir que para un despliegue exitoso de este tipo de redes los vendedores de equipo deben afinar su estrategia para ofrecer productos que permitan utilidades con respecto al costo de la inversión. Para ello deben conocer las ne-cesidades del país en donde se desplegará la tecnología. Esto significa que las solucio-nes programables de procesamiento digital de señales (dsp) y los dispositivos de radio definidos por programas de software serán las tecnologías a ser usadas para implemen-tar wimax. Las soluciones basadas en software proporcionan la flexibilidad para enfrentar variaciones sin tener que retomar un rediseño completo para cada mercado.

En cuanto a tecnología de comunicación con base en células, la prospectiva tecno-lógica para las 3g se agrupa en dos nuevas generaciones: 3.5g y 4g. Algunos aspectos clave de éstas se muestran a continuación:




3.51. g (3.5th Generation or LTE –Long Term Evolution-): Mejora de umts, mejora a través de otras técnicas auxiliares, tales como: iburst, hyperman, wimax, wibro, gan (Generic Access Network). Esquema usado: mimo + ofdm + sc-fdma (Single Carrier), sdma, Beamforming.42. g: Los estándares serán definidos por varios grupos de investigación de telecomunicaciones (por ejemplo: Airspan, Alvarion, Aperto Networks, Ensemble, Fujitsu, Intel, Nokia, Proxim, entre otros) basados en los requerimientos sociales y tecnológicos. La frecuencia de operación prospectada: 3-5 ghz (Tendencia de Internet inalámbrico). Propuestas de esquema: concepto “a cualquier hora, en cualquier lugar”; mimo, mu-mimo, ipv6, sdr (Software Defined Radio), algoritmos Alamoutti. Soluciones de prospectiva tecnológica al estado del arte: ruteo móvil cooperativo (cooperative mobile routing), Redes mimo (Net-mimo), Antena Inteligente mimo, control de supervisión celular, v-doip (voice-data over IP); 3d tv, Intelligent-Software-autoconfiguration based applications, Augmented Reality (ar = Enhanced Virtual Reality –evr-).

En conclusión, se busca que las tecnologías inalámbricas evolucionen hacia un escenario centrado en el usuario en donde una red de acceso generalizado dará soporte a una conexión completa en cualquier momento y lugar, basada en una infraestructura all-IP común, flexible y transparente que apoyará la escalabilidad y movilidad.

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




Tabla 13.1 Temas de investigación

Tabla 13.2 Tecnologías existentes

Modelos matemáticos de propagación y optimización del canal inalámbrico de comunicación

Diseño de baterías compactas, recargables y de alta duración

Compresión de información en hardware

Estructuras no resonantes en antenas

Codiseño y sistemas embebidos

Desarrollo de memorias y unidades de procesamiento cada vez más pequeñas y poderosas

Cosechamiento de energía luminosa, térmica o cinética

Interacción de protocolos de comunicación

Transductores con microsensores

Conservación de energía

Fuente: Elaboración propia.

Redes: inalámbricas con interacción ip-inalámbrico; inalámbricas de área personal (wpan); inalámbricas pasivas; de sensores multimedia inalámbricos (wmsn) y personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en bluetooth y en zigbee

Interconexión de redes de área local separadas geográfica

Protocolos de aplicaciones inalámbricas (wap)

Acceso inalámbrico portátil

Microondas terrestres

cdma

Satélites de comunicación de órbita alta y sistemas de posicionamiento global (gps)

Antenas: de frecuencia ultra-alta (uhf) y wifi

Sistemas de administración de bases de datos

13.2 Temas de investigación

13.3 Tecnologías existentes

Dentro de las tecnologías existentes con impacto en la megatendencia se encuentran:




Tabla 13.3 Tecnologías emergentes



Nodos inalámbricos con sensores, actuadores, procesadores y sistemas de radiofrecuencia integrados a un chip (iSoC: Intelligent System on a Chip)

Entretenimiento móvil vía banda ancha inalámbrica (evdo)

Conectividad bus serial de conexión inalámbrica universal (wusb)

Banda ultra-ancha (uwb)

Ondas de radio de bajo poder

Semiconductores de silicio

umts

13.4 Tecnologías emergentes

Algunas de las tecnologías emergentes generadas por la Megatendencia son:

13.5.1 Lista de productos y serviciosDentro de los productos y servicios a partir de la megatendencia en las áreas de redes masivas y redes específicas se encuentran:

Tabla 13.4 Redes masivas

Redes masivas

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

Dispositivos portátiles para conexión a internet desde cualquier lugar

Receptores de sistemas de posicionamiento global (gps)

Servicios de red en lugares remotos

13.5 Productos y servicios generados




Tabla 13.5 Redes específicas


Redes específicas

Etiquetas rfid de alta frecuencia para utilizar en bibliotecas y seguimiento de libros y para el control de acceso en edificios

Dispositivos de infrarrojo para envío y recepción de paquetes de información en la red

Tarjetas con chips rfid integrados se usan como dinero electrónico

Integración de teléfonos móviles con teléfonos corporativos

Sensores para sistemas autónomos empleados en robots

Auriculares inalámbricos para teléfono móvil

Boletos de admisión electrónicos

Teléfonos celulares con micro-navegadores

Llaves inteligentes para abrir y arrancar el auto mientras el conductor se encuentra hasta a un metro de distancia

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

Dispositivos implantables para monitoreo de signos vitales

Dispositivos de control de aparatos electrodomésticos

RFID para señales de tráfico inteligentes en la carretera

Redes masivas

Televisión digital satelital

Interfaces interactivas intuitivas con aplicaciones, servicios y dispositivos personalizados

Dispositivos de comunicación automática

Servicios de mercadotecnia móvil y espacio de publicidad móvil

Sistemas de seguridad para transacciones virtuales

Aplicaciones móviles de siguiente generación

Dispositivos para permitir conectividad de gran velocidad

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

Localizadores satelitales para automóviles

Dispositivos de conexión a redes tipo Wi-Fi para autos

Aplicaciones para unir hot-spots Wi-Fi

Soluciones de seguridad inalámbrica

Nodos inalámbricos con sensores, actuadores, procesadores y sistemas de radiofrecuencia integrados a un chip (IsoC: intelligent system on a chip)

Publicidad móvil

Operaciones bancarias desde pda´s o equipos celulares inteligentes

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

Dispositivos inalámbricos para computadoras




Tabla 13.6 Taxonomía

Fuente: Coordenadas, Órgano Oficial del Consejo Profesional de Ingeniería de Telecomunicaciones, Electrónica y Computación. Año XXII, No. 78, Junio-Julio 2008. http://www.copitec.org.ar/boletines/revista/COORDENADAS%2078.pdf

Redes específicas

Etiquetas para seguimiento de barricas de cerveza

Termógrafos

Etiquetas para identificación de animales

Area de aplicación Área de aplicación específica Tecnologías Productos y servicios

Redes masivasRedes de comunicación celular (enfocado a la distancia)

Red inalámbrica con interacción ip-inalámbrico

Servicio de red en lugares remotos


Dispositivos portátiles para conexión a internet desde cualquier lugar


Aplicaciones para unir hot-spots Wi-Fi

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

Protocolo de aplicaciones inalámbricas (wap)

Banda ultra-ancha (uwb)

Antena de frecuencia ultra-alta (uhf)

Televisión digital satelitalMicroondas terrestres

Satélites de comunicación de órbita alta

Interconexión de redes de área local separadas geográfica

Microondas terrestres Receptores de sistema de posicionamiento global (gps)

Sistemas de posicionamiento global (gps)

Localizadores satelitales para automóviles

Antenas Wi-Fi Dispositivos de conexión a redes tipo Wi-Fi para autos

Banda ultra-ancha (uwb) Soluciones de seguridad inalámbrica

13.6 Taxonomía





Redes masivas

Redes de comunicación celular (enfocado a la distancia)

Redes de comunicación celular (enfocado a la distancia)

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

Redes de comunicación multimedia (enfocado a los datos)

Redes de sensores multimedia inalámbricos (wmsn)

Interfaces interactivas intuitivas con aplicaciones, servicios y dispositivos personalizados


Dispositivos de comunicación automática

Publicidad móvil

Banda ultra-ancha (uwb)Dispositivos para permitir conectividad de gran velocidad

umts

Aplicaciones móviles de siguiente generación

cdma


Protocolo de aplicaciones inalámbricas (wap) Operaciones bancarias desde

pda´s o equipos celulares inteligentes


Banda ultra-ancha (uwb) Sistemas de seguridad para transacciones virtuales

Redes personales de acceso inalámbirco (wpan) basado en zigbee

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

Sistemas de administración de bases de datos

Servicios de mercadotecnia móvil y espacio de publicidad móvilAcceso inalámbrico portátil

Redes personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en bluetooth

Dispositivos inalámbricos para computadoras

Redes personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en zigbee

Nodos inalámbricos con sensores, actuadores, procesadores y sistemas de radiofrecuencia integrados a un chip (iSoC: intelligent system on a chip)

Semiconductores de silicio

Redes específicas Redes inalámbricas ad-hoc

Red inalámbrica de área personal (wpan)

Integración de teléfonos móviles con teléfonos corporativos






Protocolo de aplicaciones inalámbricas (wap)

Teléfonos celulares con micro-navegadores

Redes personales de acceso inalámbirco (wpan) basado en zigbee

Dispositivos implantables para monitoreo de signos vitales

Ondas de radio de bajo poderSensores para sistemas autónomos empleados en robots


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



Red inalámbrica pasiva




Dispositivos de control de aparatos electrodomésticos

Redes de sensores multimedia inalámbricos (wmsn) Termógrafo





Ondas de radio de bajo poderEtiquetas con radio frecuencia (localización de objetos en la obscuridad)

Redes personales de acceso inalámbirco (wpan) basado en bluetooth

Boletos de admisión electrónicos



Etiquetas para identificación de animales







Etiquetas para seguimiento de barricas de cerveza

Llaves inteligentes para abrir y arrancar el auto mientras el conductor se encuentra hasta a un metro de distancia

Redes de sensores multimedia inalámbricos (wmsn)

rfid para señales de tráfico inteligentes en la carretera


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


Dispositivos de infrarrojo para envío y recepción de paquetes de información en la red

Tarjetas con chips rfid integrados se usan como dinero electrónico



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