internetofthings5g@gmail.com

¿Qué es la Radio Definida por Software? Desgranando el concepto

Para definir qué es la Radio Definida por Software y cómo el equipo de RAPIDO 5G está relacionado con esta temática, necesitamos ir destilando varios términos asociados. Lo cual haremos partiendo desde la capa física en los siguientes párrafos.

Capa Física y tipos de medios

El nacimiento de la red más grande del mundo conocida como Internet trajo consigo la invención de metodologías que han permitido de forma ordenada, el intercambio de datos de una computadora a otra, siendo una de las más implementadas el modelo TCP / IP. Dentro de este modelo compuesto de capas, se encuentra la física. En ella se manifiestan los fenómenos físicos al efectuarse una transmisión y recepción de información. Adentrarse en este universo significa analizar y comprender las señales electromagnéticas (que de ahora en adelante llamaremos señales) y cómo ellas interactúan con el entorno de la forma más cruda.

Trabajar sobre la capa más baja del modelo TCP / IP, implica operar con fenómenos físicos. Es un espacio donde las leyes del electromagnetismo gobiernan debido a que las señales que ejercen el arduo trabajo de viajar de un punto a otro para llevar información son analógicas, no digitales.

Así, para que una señal viaje en el planeta tierra, necesita un medio en el cual se propague que pueden ser los guiados o inalámbricos. En un extremo, los medios guiados definen la trayectoria a seguir de la señal mediante algún tipo de estructura física, el ejemplo más común es un cable conductor, aunque no es el único caso. En la otra punta, los medios inalámbricos o no guiados son aquellos donde la señal no está confinada a viajar en una región limitada por un conductor físico. Tal es el caso del aire.

El intérprete principal en la capa física es la señal y su concepto comprende un grado de complejidad a respetar. Su curva de aprendizaje es empinada y prolongada. No obstante, queremos darte a conocer la composición básica de una señal, y cómo se comporta en un medio inalámbrico. Podríamos crear o citar más de un centenar de libros asociados a señales (Aquí, aquí y aquí)y aún así no nos alcanzaría para entenderlas en su totalidad. Estas señales están presentes diariamente a tu alrededor: cuando acercas la tarjeta mágnetica ante un lector de transporte público, enciendes o apagas el aire acondicionado, al hacer una llamada, en conocer el estado del tiempo, al volar un drone, son algunas situaciones ilustrativas.

Caracterización de una señal

Caracterizar una señal nos lleva a conocer sus propiedades más elementales: amplitud, fase y frecuencia. Para explicar cada uno de ellas, imaginemos que capturamos una señal senoidal periódica en un instante específico, como la que se muestra en la siguiente imagen.

Caracterización de una señal
Caracterización de una señal

La frecuencia describe cuántas oscilaciones ha tenido la señal es ese único período. La amplitud expresa la medida del cambio que experimenta la señal ese mismo período. Finalmente, la fase se conoce como la posición que tiene la señal en un punto específico con respecto a ese único periodo. Entender las características mencionadas anteriormente es vital para el desarrollo de protocolos de comunicaciones inalámbricas ya que a partir de la variación de cada una o un conjunto de ellas, la transmisión o recepción de señales puede establecerse con un cierto grado de robustez. De entre estas tres características, nos gustaría resaltar la frecuencia.

Análisis de una señal electromágnetica

¿Cómo analizamos una señal? Un esquema tradicional es hacerlo mediante su descomposición en frecuencia. La frecuencia es un concepto poliédrico (que tiene muchas caras). Como se mencionó en parráfos anteriores, la frecuencia está asociada a la cantidad de oscilaciones de la señal. Pero al mismo tiempo, puede verse desde otra arista. Una señal está constituida de una única o conjunto de frecuencias. Hay toda una matemática que respalda lo escrito. Gracias a este conocimiento, la señal que se propaga en un canal inalámbrico se puede conocer mediante su descomposición en frecuencia dando como resultado la introducción del espectro electromagnético.

En un medio inalámbrico como el aire, el espectro electromagnético representa los distintos tipos de carreteras en los cuales una señal puede transportarse. El espectro es vasto y se clasifica en bandas ya sea por frecuencia o por aplicación. En las aplicaciones tenemos las microondas, ultravioleta, luz visible. Nosotros queremos resaltar un segmento en función de la frecuencia. La banda de Radiofrecuencia comprendida desde los 3 Hz hasta 300 GHz aproximadamente. Dispositivos como tostadoras, termostatos, compañías de televisión, estaciones meteorológicas, satélites, todos ellos utilizan como carretera de transporte esta porción del espectro.

Decidir en qué rango de frecuencia se transmite la señal no es lo único a tomar en cuenta para la transmisión o recepción de datos capa física. Una vez la señal se encuentra se propague, irá encontrando un cúmulo de fenómenos físicos que modificarán su comportamiento. Estos fenómenos pueden ser: atenuación, interferencia, ruido, refracción, difracción, entre otros. A modo de ilustración, un decremento en potencia de la señal transmitida podría dar como resultado que el receptor no sea capaz de recuperarla. Potencia es un concepto que está íntimamente relacionado con la amplitud de la señal.

Con el pasar del tiempo, se ha llegado a la conclusión que utilizar una sola característica elemental de la señal no es suficiente para contrarrestar las adversidades del medio donde ésta se propaga, esto es válido para ciertas aplicaciones. Este razonamiento es el por qué de tener de a disposición diferentes protocolos inalámbricos: LoRa, WiFi, Zigbee, NFC, ANT, Z-Wave, Bluetooth. Todos operando en la banda RF. Ninguno escapa de poseer tanto luces y sombras. Su uso particular depende principalmente de la aplicación.

Con lo mencionado a lo largo de esta sección. Te explicaremos cómo se entrelazan los conceptos descritos vistos en la capa física para la transmisión y recepción de datos. Lo haremos no con un ejemplo rebuscado, sino con uno común: Escuchar una estación de radio.

¿Cómo hace una emisora de radio para transmitir audio?

Para escuchar una estación de radio, es necesario que la compañía propietaria de la emisora tenga un permiso para enviar señales en una subdivisión del rango RF. ¡Sí! Transmitir señales en el espectro electromagnético tiene sus reglas. En Panamá, la ASEP, es el ente regulador que establece cómo se usa ciertas regiones del espectro electromagnético. Esto quiere decir que es un bien del estado y por consiguiente está regulado. La transmisión por radio está estandarizada. Los canales de frecuencias asociados a este fin se encuentran en una subdivisión del rango RF conocido como VHF en formato UIT. La ASEP es el que concede el permiso de operación mediante la adquisición de una licencia comercial.

Obtenida la licencia de transmisión, la estación necesitará contar con equipos que capturen la señal de audio (mediante un micrófono o computadora) y la adapten para su correcta propagación. La adaptación consiste en tomar las señales de audio caracterizadas por sus componentes de frecuencia. Se conoce que el ancho de banda de una señal de audio es hasta aproximadamente 20 kHz y que para su transmisión en RF la señal debe pasar por un proceso de traslación en el espectro. La translación se hace por medio de una señal de frecuencia más elevada (en el rango de los MHz) denominada portadora. A este proceso se le conoce como modulación y es el pan y mantequilla de los ingenieros de telecomunicaciones. La modulación además de efectuar una traslación en frecuencia de la señal de información, modifica la señal portadora en al menos una o ambas de sus características. En una transmisión de radio, el tipo de modulación utilizada es por frecuencia. De allí el por qué de conocer a las emisoras por estación FM. La señal de audio viajará entonces, por medio de una señal portadora donde la frecuencia de ésta variará en función de la señal de audio.

Esta señal final se transmitirá por medio de una antena que irradiará en el medio inalámbrico una potencia dada tal que llegue a las regiones físicas donde se encuentran los receptores logrando que éstos sean capaces de recuperar la señal. En un medio como el aire, hemos mencionado que la señal se encontrará con varios percances. Estas variables que aparecen en el medio no se pueden eliminar, son inherentes en el canal y la única forma de obtener una transmisión exitosa es tomándolas en cuenta.

Adicional al proceso de modulación, entre la señal fuente y la antena también se agregan otros componentes como lo son mezcladores, ecualizadores, amplificadores que siguen adaptando la señal para que ésta sea menos sensible a las variaciones introducidas en el medio inalámbrico. Los receptores en términos de funcionalidad son análogos a los transmisores en el hecho de estar compuestos por componentes similares donde su funcionalidad se aplica de forma inversa al transmisor. FM es una técnica de modulación bastante madura y hoy día con cualquier receptor de radio FM, es posible escuchar emisoras desde en un automóvil, hogar, restaurante, oficina, e inclusive hasta un ordenador.

¿Qué es la Radio Definida por Software?

Sabiendo cómo se entrelazan los conceptos de señal, sus características, el medio en el cual se propagan y las perturbaciones que puedan tener, pasamos a introducir la Radio Definida por Software. Hasta hace una par de décadas, los procesos involucrados en las telecomunicaciones como el que describimos con la estación de radio, eran materializados con pura electrónica analógica. No obstante, los tiempos han cambiado. La ley de Moore dice que la cantidad de componentes colocados en un circuito impreso será el doble de lo que pudo colocarse un dos años antes desde ese momento, lo cual trae consigo un cambio de perspectiva en la forma de transportar información en capa física.

La Radio Definida por Software, aunque no se tiene una definición clara, podríamos describirla como un paradigma en la cual la funcionalidad de los componentes que comprenden la placa de hardware puede ser reconfigurada para cumplir objetivos distintos dependiendo de la aplicación. El hecho que la funcionalidad sea reconfigurada en la misma placa indica que en un único dispositivo físico se puedan implementar o diseñar diferentes protocolos de comunicaciones inalámbricas, algo que antes no se podía hacer. La realidad de hace más de treinta años era que para una placa específica se tenía un chip de RF especializado en un sólo tipo de protocolo, nada más. Si uno necesitaba implementar una modulación de frecuencia en vez de amplitud, se tenía que cambiar el chip en el diseño original, rediseñar la placa, mandarla a hacer y luego esperar a que llegase.

Captando señales electromágneticas por medio de la Radio Definida por Software
Captando señales electromágneticas por medio de la Radio Definida por Software

No hay que confundir el término Radio Definida por Software cuando se tiene una radio digital que en cierto punto entre la fuente y la antena hay un cambio del dominio analógico al digital, la clave reside en que la Radio Definida por Software es reconfigurada sin necesidad de alternar la placa física. Lo que siempre se ha deseado en la Radio Definida por Software es que el número de componentes analógicos fijos colocados en la placa se reduzca y que solamente exista la antena como transductor. Además de ello, que si existe algún componente adicional a la antena, éste pueda sea descrito por software. Sin embargo, esto no es posible aún. La adquisición de un hardware físico además de una antena es necesario debido a la naturaleza del canal en la cual se envía la señal. En la actualidad, no es sorpresa encontrar arquitecturas homodinas encargadas de bajar la señal RF a banda base o viceversa, tal que los ADC/ADCs comerciales sean capaces de tomar las respectivas muestras. Generalmente los ADC/ADCs trabajan a frecuencias de muestreo alrededor de los Msps. Aún así, en el rango RF existen señales que operan hasta 300 GHz, es decir, que para poder reconstruir la señal digitalmente, tendríamos que muestrear al doble de esa frecuencia, esto, sin ningún tipo de adaptación. Para eso lector, aún falta. Por lo tanto, los SDRs encontrados en el mercado, contienen al menos, una etapa conocida como RF front-end en donde se encuentran los ADC/DACs, PLLs y filtros.

En la actualidad es posible adquirir una Radio Definida por Software a precios accesibles, al menos, si se desea probar la herramienta. Cualquier persona, grupo de investigación, compañia, o institución que quisiera interactuar y experimentar con este paradigma lo puede hacer invirtiendo en una placa por menos de 100 USD. Aún así, hoy por hoy, el costo de las Radio Definida por Software varía dependiendo de la aplicación ya que éste es el que define las verdaderas métricas de operación: ancho de banda, frecuencia de muestreo, rango de frecuencia, si se necesita comunicación bidireccional, resolución de los ADC/DACs, potencia de transmisión, si se requiere algún proceso de pre-procesamiento mediante FPGAs, por mencionar algunas. Se pueden encontrar a partir de 20 USD en la gama más básica.

Herramientas

La facilidad de iterar sobre una placa de Radio Definida por Software de forma instantánea permite la aceleración en la creación y el mejoramiento de los protocolos de capa física. Esto es posible ya que al definir la funcionalidad de los componentes por software se introduce una mayor flexibilidad en su programación o lenguajes de descripción de hardware. Existen varias herramientas de software para la Radio Definida por Software, una de ellas es un proyecto libre y de código abierto que se ha consolidado por excelencia a lo largo de los años para trabajar directa o indirectamente con las muestras capturadas: GNU Radio. Lo definiríamos como un framework de programación para el procesamiento digital de señales digitales y analógicas. Un framework ya que reúne una combinación de software adaptado listo para usar, abstrayendo conceptos matemáticos fundamentales para la correcta operación de sistemas de radio, y de programación porque toda la lógica en la creación de los amplificadores, filtros, moduladores, codificadores es hecha a través de lenguajes programación.

GNU Radio es un proyecto programado en C++ que contiene las librerías necesarias para procesar datos proveniente de una Radio Definida por Software. GNU Radio Companion es la interfaz gráfica hecha en Python que brinda a través de bloques las librerías en C++ y expone al programador un paradigma de programación en base a gráficos de flujo. Con GNU Radio y la Radio Definida por Software se han visto aplicaciones diversas que van desde la transmisión de señales DVB-T hasta la implementación de capa física para el protocolo IEEE 802.11.

Al interactuar con herramientas de Radio Definida por Software, lo que se abre es un abanico de posibilidades para la inclusión o mejoras de protocolos existentes que rigen la interacción del entorno físico con las señales en la capa física. Con al auge del Internet de las Cosas, se espera que la cantidad de dispositivos conectados a Internet para el 2020 sea de aproximadamente 50 billones, según Cisco. Sensores tipo «wearables», industriales, dispositivos móviles, drones, etc. Toda esto trae consigo cambios importantes que inminentemente las señales en el medio inalámbrico notarán, por ejemplo un aumento de interferencia en canales compartidos. Por lo tanto, es necesario estar preparados para hacer frente a estas vicisitudes y presentar soluciones que las mitiguen en la medida de lo posible.

RAPIDO 5G y su relación con la Radio Definida por Software

En el proyecto RAPIDO 5G, tenemos un equipo de investigadores enfocados al desarrollo proyectos científicos utilizando la Radio Definida por Software. Tal es el caso de la realización de un prototipo de hardware de bajo coste para la caracterización de interferencia dentro del espectro electromagnético. Con este prototipo se espera analizar la interferencia que pueda experimentar las señales en diferentes bandas del espectro cuando éste está siendo compartido por varios receptores.

Además de la Radio Definida por Software, se utilizan computadoras de placa reducida para lograr que el equipo sea fácilmente desplazable, y liviano. El prototipo también utiliza una infraestructura basada en Internet de las Cosas para que los datos analizados sean vistos desde cualquier parte del mundo mediante la inclusión de módulos de código abierto. Elaborar un prototipo como éste permite un mejor análisis en los protocolos de comunicaciones inalámbricas afectados en gran medida por la interferencia. Dentro de los principales objetivos del prototipo se encuentra la detección y mitigación de la interferencia proporcionando así una mejor calidad en la transmisión y recepción de datos en el uso del espectro compartido.

Diseñado y Desarrollado por Jesús Fuentes