Trabajar sobre la capa m\u00e1s baja del modelo TCP \/ IP, implica operar con fen\u00f3menos f\u00edsicos. Es un espacio donde las leyes del electromagnetismo gobiernan debido a que las se\u00f1ales que ejercen el arduo trabajo de viajar de un punto a otro para llevar informaci\u00f3n son anal\u00f3gicas, no digitales.<\/p>\n
As\u00ed, para que una se\u00f1al viaje en el planeta tierra, necesita un medio en el cual se propague que pueden ser los guiados o inal\u00e1mbricos. En un extremo, los medios guiados<\/strong> definen la trayectoria a seguir de la se\u00f1al mediante alg\u00fan tipo de estructura f\u00edsica, el ejemplo m\u00e1s com\u00fan es un cable conductor, aunque no es el \u00fanico caso. En la otra punta, los medios inal\u00e1mbricos o no guiados<\/strong> son aquellos donde la se\u00f1al no est\u00e1 confinada a viajar en una regi\u00f3n limitada por un conductor f\u00edsico. Tal es el caso del aire.<\/p>\n El int\u00e9rprete principal en la capa f\u00edsica es la se\u00f1al<\/strong> 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 composici\u00f3n b\u00e1sica de una se\u00f1al, y c\u00f3mo se comporta en un medio inal\u00e1mbrico. Podr\u00edamos crear o citar m\u00e1s de un centenar de libros asociados a se\u00f1ales (Aqu\u00ed<\/a>, aqu\u00ed<\/a> y aqu\u00ed<\/a>)y a\u00fan as\u00ed no nos alcanzar\u00eda para entenderlas en su totalidad. Estas se\u00f1ales est\u00e1n presentes diariamente a tu alrededor: cuando acercas la tarjeta m\u00e1gnetica ante un lector de transporte p\u00fablico, enciendes o apagas el aire acondicionado, al hacer una llamada, en conocer el estado del tiempo, al volar un drone<\/em>, son algunas situaciones ilustrativas.<\/p>\n Caracterizar una se\u00f1al nos lleva a conocer sus propiedades m\u00e1s elementales: amplitud<\/strong>, fase<\/strong> y frecuencia<\/strong>. Para explicar cada uno de ellas, imaginemos que capturamos una se\u00f1al senoidal peri\u00f3dica en un instante espec\u00edfico, como la que se muestra en la siguiente imagen.<\/p>\n La frecuencia describe cu\u00e1ntas oscilaciones ha tenido la se\u00f1al es ese \u00fanico per\u00edodo. La amplitud expresa la medida del cambio que experimenta la se\u00f1al ese mismo per\u00edodo. Finalmente, la fase se conoce como la posici\u00f3n que tiene la se\u00f1al en un punto espec\u00edfico con respecto a ese \u00fanico periodo. Entender las caracter\u00edsticas mencionadas anteriormente es vital para el desarrollo de protocolos de comunicaciones inal\u00e1mbricas ya que a partir de la variaci\u00f3n de cada una o un conjunto de ellas, la transmisi\u00f3n o recepci\u00f3n de se\u00f1ales puede establecerse con un cierto grado de robustez. De entre estas tres caracter\u00edsticas, nos gustar\u00eda resaltar la frecuencia.<\/p>\n \u00bfC\u00f3mo analizamos una se\u00f1al? Un esquema tradicional es hacerlo mediante su descomposici\u00f3n en frecuencia. La frecuencia es un concepto poli\u00e9drico (que tiene muchas caras). Como se mencion\u00f3 en parr\u00e1fos anteriores, la frecuencia est\u00e1 asociada a la cantidad de oscilaciones de la se\u00f1al. Pero al mismo tiempo, puede verse desde otra arista. Una se\u00f1al est\u00e1 constituida de una \u00fanica o conjunto de frecuencias. Hay toda una matem\u00e1tica que respalda lo escrito. Gracias a este conocimiento, la se\u00f1al que se propaga en un canal inal\u00e1mbrico se puede conocer mediante su descomposici\u00f3n en frecuencia dando como resultado la introducci\u00f3n del espectro electromagn\u00e9tico.<\/p>\n En un medio inal\u00e1mbrico como el aire, el espectro electromagn\u00e9tico representa los distintos tipos de carreteras en los cuales una se\u00f1al puede transportarse. El espectro es vasto y se clasifica en bandas ya sea por frecuencia o por aplicaci\u00f3n. En las aplicaciones tenemos las microondas, ultravioleta, luz visible. Nosotros queremos resaltar un segmento en funci\u00f3n de la frecuencia. La banda de Radiofrecuencia comprendida desde los 3 Hz hasta 300 GHz aproximadamente. Dispositivos como tostadoras, termostatos, compa\u00f1\u00edas de televisi\u00f3n, estaciones meteorol\u00f3gicas, sat\u00e9lites, todos ellos utilizan como carretera de transporte esta porci\u00f3n del espectro.<\/p>\n Decidir en qu\u00e9 rango de frecuencia se transmite la se\u00f1al no es lo \u00fanico a tomar en cuenta para la transmisi\u00f3n o recepci\u00f3n de datos capa f\u00edsica. Una vez la se\u00f1al se encuentra se propague, ir\u00e1 encontrando un c\u00famulo de fen\u00f3menos f\u00edsicos que modificar\u00e1n su comportamiento. Estos fen\u00f3menos pueden ser: atenuaci\u00f3n, interferencia, ruido, refracci\u00f3n, difracci\u00f3n, entre otros. A modo de ilustraci\u00f3n, un decremento en potencia de la se\u00f1al transmitida podr\u00eda dar como resultado que el receptor no sea capaz de recuperarla. Potencia es un concepto que est\u00e1 \u00edntimamente relacionado con la amplitud de la se\u00f1al.<\/p>\n Con el pasar del tiempo, se ha llegado a la conclusi\u00f3n que utilizar una sola caracter\u00edstica elemental de la se\u00f1al no es suficiente para contrarrestar las adversidades del medio donde \u00e9sta se propaga, esto es v\u00e1lido para ciertas aplicaciones. Este razonamiento es el por qu\u00e9 de tener de a disposici\u00f3n diferentes protocolos inal\u00e1mbricos: 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 aplicaci\u00f3n.<\/p>\n Con lo mencionado a lo largo de esta secci\u00f3n. Te explicaremos c\u00f3mo se entrelazan los conceptos descritos vistos en la capa f\u00edsica para la transmisi\u00f3n y recepci\u00f3n de datos. Lo haremos no con un ejemplo rebuscado, sino con uno com\u00fan: Escuchar una estaci\u00f3n de radio.<\/strong><\/p>\n Para escuchar una estaci\u00f3n de radio, es necesario que la compa\u00f1\u00eda propietaria de la emisora tenga un permiso para enviar se\u00f1ales en una subdivisi\u00f3n del rango RF. \u00a1S\u00ed! Transmitir se\u00f1ales en el espectro electromagn\u00e9tico tiene sus reglas. En Panam\u00e1, la ASEP, es el ente regulador que establece c\u00f3mo se usa ciertas regiones del espectro electromagn\u00e9tico. Esto quiere decir que es un bien del estado y por consiguiente est\u00e1 regulado. La transmisi\u00f3n por radio est\u00e1 estandarizada. Los canales de frecuencias asociados a este fin se encuentran en una subdivisi\u00f3n del rango RF conocido como VHF en formato UIT. La ASEP es el que concede el permiso de operaci\u00f3n mediante la adquisici\u00f3n de una licencia comercial.<\/p>\n Obtenida la licencia de transmisi\u00f3n, la estaci\u00f3n necesitar\u00e1 contar con equipos que capturen la se\u00f1al de audio (mediante un micr\u00f3fono o computadora) y la adapten para su correcta propagaci\u00f3n. La adaptaci\u00f3n consiste en tomar las se\u00f1ales de audio caracterizadas por sus componentes de frecuencia. Se conoce que el ancho de banda de una se\u00f1al de audio es hasta aproximadamente 20 kHz y que para su transmisi\u00f3n en RF la se\u00f1al debe pasar por un proceso de traslaci\u00f3n en el espectro. La translaci\u00f3n se hace por medio de una se\u00f1al de frecuencia m\u00e1s elevada (en el rango de los MHz) denominada portadora. A este proceso se le conoce como modulaci\u00f3n<\/strong> y es el pan y mantequilla de los ingenieros de telecomunicaciones. La modulaci\u00f3n adem\u00e1s de efectuar una traslaci\u00f3n en frecuencia de la se\u00f1al de informaci\u00f3n, modifica la se\u00f1al portadora en al menos una o ambas de sus caracter\u00edsticas. En una transmisi\u00f3n de radio, el tipo de modulaci\u00f3n utilizada es por frecuencia. De all\u00ed el por qu\u00e9 de conocer a las emisoras por estaci\u00f3n FM. La se\u00f1al de audio viajar\u00e1 entonces, por medio de una se\u00f1al portadora donde la frecuencia de \u00e9sta variar\u00e1 en funci\u00f3n de la se\u00f1al de audio.<\/p>\n Esta se\u00f1al final se transmitir\u00e1 por medio de una antena que irradiar\u00e1 en el medio inal\u00e1mbrico una potencia dada tal que llegue a las regiones f\u00edsicas donde se encuentran los receptores logrando que \u00e9stos sean capaces de recuperar la se\u00f1al. En un medio como el aire, hemos mencionado que la se\u00f1al se encontrar\u00e1 con varios percances. Estas variables que aparecen en el medio no se pueden eliminar, son inherentes en el canal y la \u00fanica forma de obtener una transmisi\u00f3n exitosa es tom\u00e1ndolas en cuenta.<\/p>\n Adicional al proceso de modulaci\u00f3n, entre la se\u00f1al fuente y la antena tambi\u00e9n se agregan otros componentes como lo son mezcladores, ecualizadores, amplificadores que siguen adaptando la se\u00f1al para que \u00e9sta sea menos sensible a las variaciones introducidas en el medio inal\u00e1mbrico. Los receptores en t\u00e9rminos de funcionalidad son an\u00e1logos 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 t\u00e9cnica de modulaci\u00f3n bastante madura y hoy d\u00eda con cualquier receptor de radio FM, es posible escuchar emisoras desde en un autom\u00f3vil, hogar, restaurante, oficina, e inclusive hasta un ordenador.<\/p>\n Sabiendo c\u00f3mo se entrelazan los conceptos de se\u00f1al, sus caracter\u00edsticas, 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 d\u00e9cadas, los procesos involucrados en las telecomunicaciones como el que describimos con la estaci\u00f3n de radio, eran materializados con pura electr\u00f3nica anal\u00f3gica. No obstante, los tiempos han cambiado. La ley de Moore<\/a> dice que la cantidad de componentes colocados en un circuito impreso ser\u00e1 el doble de lo que pudo colocarse un dos a\u00f1os antes desde ese momento, lo cual trae consigo un cambio de perspectiva en la forma de transportar informaci\u00f3n en capa f\u00edsica.<\/p>\n La Radio Definida por Software<\/strong>, aunque no se tiene una definici\u00f3n clara, podr\u00edamos 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 aplicaci\u00f3n. El hecho que la funcionalidad sea reconfigurada en la misma placa indica que en un \u00fanico dispositivo f\u00edsico se puedan implementar o dise\u00f1ar diferentes protocolos de comunicaciones inal\u00e1mbricas, algo que antes no se pod\u00eda hacer. La realidad de hace m\u00e1s de treinta a\u00f1os era que para una placa espec\u00edfica se ten\u00eda un chip de RF especializado en un s\u00f3lo tipo de protocolo, nada m\u00e1s. Si uno necesitaba implementar una modulaci\u00f3n de frecuencia en vez de amplitud, se ten\u00eda que cambiar el chip en el dise\u00f1o original, redise\u00f1ar la placa, mandarla a hacer y luego esperar a que llegase.<\/p>\n No hay que confundir el t\u00e9rmino 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 anal\u00f3gico al digital, la clave reside en que la Radio Definida por Software es reconfigurada sin necesidad de alternar la placa f\u00edsica. Lo que siempre se ha deseado en la Radio Definida por Software es que el n\u00famero de componentes anal\u00f3gicos fijos colocados en la placa se reduzca y que solamente exista la antena como transductor. Adem\u00e1s de ello, que si existe alg\u00fan componente adicional a la antena, \u00e9ste pueda sea descrito por software. Sin embargo, esto no es posible a\u00fan. La adquisici\u00f3n de un hardware f\u00edsico adem\u00e1s de una antena es necesario debido a la naturaleza del canal en la cual se env\u00eda la se\u00f1al. En la actualidad, no es sorpresa encontrar arquitecturas homodinas encargadas de bajar la se\u00f1al 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. A\u00fan as\u00ed, en el rango RF existen se\u00f1ales que operan hasta 300 GHz, es decir, que para poder reconstruir la se\u00f1al digitalmente, tendr\u00edamos que muestrear al doble de esa frecuencia, esto, sin ning\u00fan tipo de adaptaci\u00f3n. Para eso lector, a\u00fan 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.<\/p>\n 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 investigaci\u00f3n, compa\u00f1ia, o instituci\u00f3n que quisiera interactuar y experimentar con este paradigma lo puede hacer invirtiendo en una placa por menos de 100 USD. A\u00fan as\u00ed, hoy por hoy, el costo de las Radio Definida por Software var\u00eda dependiendo de la aplicaci\u00f3n ya que \u00e9ste es el que define las verdaderas m\u00e9tricas de operaci\u00f3n: ancho de banda, frecuencia de muestreo, rango de frecuencia, si se necesita comunicaci\u00f3n bidireccional, resoluci\u00f3n de los ADC\/DACs, potencia de transmisi\u00f3n, si se requiere alg\u00fan proceso de pre-procesamiento mediante FPGAs, por mencionar algunas. Se pueden encontrar a partir de 20 USD en la gama m\u00e1s b\u00e1sica.<\/p>\n La facilidad de iterar sobre una placa de Radio Definida por Software de forma instant\u00e1nea permite la aceleraci\u00f3n en la creaci\u00f3n y el mejoramiento de los protocolos de capa f\u00edsica. Esto es posible ya que al definir la funcionalidad de los componentes por software se introduce una mayor flexibilidad en su programaci\u00f3n o lenguajes de descripci\u00f3n de hardware. Existen varias herramientas de software para la Radio Definida por Software, una de ellas es un proyecto libre y de c\u00f3digo abierto que se ha consolidado por excelencia a lo largo de los a\u00f1os para trabajar directa o indirectamente con las muestras capturadas: GNU Radio<\/strong>. Lo definir\u00edamos como un framework de programaci\u00f3n para el procesamiento digital de se\u00f1ales digitales y anal\u00f3gicas<\/strong>. Un framework ya que re\u00fane una combinaci\u00f3n de software adaptado listo para usar, abstrayendo conceptos matem\u00e1ticos fundamentales para la correcta operaci\u00f3n de sistemas de radio, y de programaci\u00f3n porque toda la l\u00f3gica en la creaci\u00f3n de los amplificadores, filtros, moduladores, codificadores es hecha a trav\u00e9s de lenguajes programaci\u00f3n.<\/p>\n GNU Radio<\/strong> es un proyecto programado en C++ que contiene las librer\u00edas necesarias para procesar datos proveniente de una Radio Definida por Software. GNU Radio Companion es la interfaz gr\u00e1fica hecha en Python que brinda a trav\u00e9s de bloques las librer\u00edas en C++ y expone al programador un paradigma de programaci\u00f3n en base a gr\u00e1ficos de flujo. Con GNU Radio y la Radio Definida por Software se han visto aplicaciones diversas que van desde la transmisi\u00f3n de se\u00f1ales DVB-T hasta la implementaci\u00f3n de capa f\u00edsica para el protocolo IEEE 802.11.<\/p>\n Al interactuar con herramientas de Radio Definida por Software, lo que se abre es un abanico de posibilidades para la inclusi\u00f3n o mejoras de protocolos existentes que rigen la interacci\u00f3n del entorno f\u00edsico con las se\u00f1ales en la capa f\u00edsica. 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, seg\u00fan Cisco<\/a>. Sensores tipo “wearables”, industriales, dispositivos m\u00f3viles, drones<\/em>, etc. Toda esto trae consigo cambios importantes que inminentemente las se\u00f1ales en el medio inal\u00e1mbrico notar\u00e1n, 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.<\/p>\nCaracterizaci\u00f3n de una se\u00f1al<\/h2>\n
![\"Caracterizaci\u00f3n](\"http:\/\/comunicaciondigital.utp.ac.pa\/5G\/wp-content\/uploads\/2018\/04\/caracterizacion_de_senal-1-1024x578.png\")
An\u00e1lisis de una se\u00f1al electrom\u00e1gnetica<\/h2>\n
\u00bfC\u00f3mo hace una emisora de radio para transmitir audio?<\/h1>\n
\u00bfQu\u00e9 es la Radio Definida por Software?<\/h1>\n
![\"Captando](\"http:\/\/comunicaciondigital.utp.ac.pa\/5G\/wp-content\/uploads\/2018\/04\/womenengineer_software-defined-radio-1024x574.jpg\")
Herramientas<\/h2>\n
RAPIDO 5G y su relaci\u00f3n con la Radio Definida por Software<\/h2>\n