Diseño de una Red Inalámbrica IEEE 802.11 FH/CDMA con Protocolo IP paraMonitoreo y Control

Gustavo Ado lfo Prieto Obando, Ing.Email: gu-priet@uniandes.edu.co

Anton io García Rozo, Ing.Email: angarcia@uniandes.edu.co

Abstract: El diseño de una arquitectura de red inalámbricade área local WLAN con b ajo consumo de potencia paratelemetría y control involucra la optimización energética delos componentes de la capa de enrutamiento, de la capa deacces o al medio MAC, de la capa física PHY y del esquemade codificación y decodificación. El radiotransmisorespecificado en este trabajo sopo rta una red ad ho creconfigurable, auto-organizativa, autocontenida, escalabley de baja potencia desde el punto de vista de loscompon entes de comunicación y de computación. Seadaptó a la red de baja potencia el estándar IEEE 802.11con acceso CDMA por su desempeño, amplia cobertura einteroperabilidad.Palabras clave: FHSS, CDMA, GFSK.

I.INTRODUCCIONLas aplicaciones de una red para monitoreo y telemetríaincluyen el control ambiental de un edificio de oficinasinteligente; el control y la guía de robots en un ambienteautomático de manufactura; diagnóstico y administración dedrogas en un hospital; identificación de procesos y niveles deseguridad industrial, control de micro-ambientes artificiales detemperatura adaptable y ambientes interactivos de realidadvirtual entre otros. El cablear un alto número de sensoresresultaría impráctico y costoso, instalar cableado para unsensor cuesta alrededor de $200 US, implementar una solucióninalámbrica podría reducir el costo de conexión del sensor enun orden de magnitud permitiendo replantear la inversión enuna arquitectura robusta y confiable. Una red de estascaracterísticas debe ser auto-organizativa, multi-funcional yreconfigurable, lo que implica que la comunicación y loscomponentes computacionales de los nodos inalámbricosdeben ser adaptivos y programables. Por otro lado losrequerimientos de cobertura a gran escala implica que lossensores remotos sean baratos pequeños y consuman unamínima cantidad de potencia en orden de extender su vidamedia operacional. Los costos computacionales son costosasociados con el procesamiento de los bits de información. Loscostos de comunicación son costos asociados con latransmisión y recepción de los bits de información.Transceivers de baja potencia con amplificadores de radiofrecuencias (RF) de alta eficiencia, enrutamiento óptimo de lainformación, etc, reducen en un orden de magnitud los costosde comunicación. El consumo de energía es un parámetrocrítico pues en el diseño se asume que los radiotransmisoresson alimentados por una fuente finita de energía como unabatería. Se requiere entonces una metodología de diseño queminimice el uso de la energía disponible a través de laoptimización conjunta de la arquitectura de la red, losprotocolos de Tx y Rx, y la implementación del hardware de

computación y comunicación. Desde el punto de vista de teoríade comunicaciones si la potencia requerida para transmitir lainformación domina sobre la potencia de enlace, la energíatotal de comunicaciones consumida es independiente de la ratade transmisión y dependiente solamente del número de bitstransmitidos. Existe entonces un compromiso entre el númerode bits transmitidos y la energía requerida para computaciónlocal de los bits recibidos; una de las consecuenciasfundamentales de este compromiso es que el ahorro deenergía no se focaliza sobre las estrategias convencionales deconservación en el uso discreto de la batería entre los periodosde comunicación y computación sino más bien en laoptimización dinámica del voltaje para un nivel dado dedesempeño el cual necesita ser determinado por los protocolosde alta jerarquía en la arquitectura de la red. En este tipo dered de telemetría es posible eliminar la necesidad de transmitirinformación sobre grandes distancias reduciendo el número derestricciones sobre el sistema. La potencia de transmisiónpuede ser menor que la de una red de datos de alto tráfico y elreceptor no necesita soportar altos niveles de sensitividad yselección; lo que provee no solo flexibilidad en la operación delsistema sino interoperabilidad y coexistencia con otrassoluciones inalámbricas en el mismo ambiente de radiopropagación. Las especificaciones iniciales para este tipo deradiotransmisores incluyen: Plataforma reconfigurable; tamañomenor a 1 cm3; rango de cobertura 10 a 15m; baja velocidad detransmisión de bits: 4 Kbps; propagación interior; relación señala ruido SNR < 10; alta densidad de nodos inalámbricos:decenas de sensores por metro cúbico.

II.ENERGIA DE RADIOENLACE Y TRANSPORTE DEINFORMACION

El sistema de redes inalámbricas está basado en celdasunitarias de propagación. Cada una posee un Access-Point(AP) que recibe y transmite información entre los sensores, losPC´s y la red Internet. En cualquier momento se puedeestablecer una comunicación bidireccional entre los sensores ylos APs en diferentes celdas, los sensores serán localizadosaleatoriamente en el área de cobertura. La transmisión de RFpara redes inalámbricas requiere las técnicas del SpreadSpectrum, en una frecuencia de transmisión de 2.4 GHz. Cadaarquitectura requiere un ancho de banda de 83 MHz. FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum) usa 2-4 nivelesGaussianos en cuadratura GFSK como tipo de modulación. Laganancia de la antena según la norma IEEE 802.11 para redesinalámbricas de área local debe ser máxima de 6dBi. La rata detransmisión para FHSS oscila entre 1 y 2 Mbps. Existen 78patrones de saltos en frecuencia a través la banda de 2.4 GHzISM cubriendo 79 canales, cada canal con un ancho de bandade 1 MHz. La rata mínima de saltos en frecuencia es de 2.5

saltos por segundo. El cálculo de la potencia promedio querecibe un sensor debido a un AP es:

PRX=PTX+G-LPATH-LSHD-KF(dBm) (2.1)Con LSHD=10log10(exp8*u), muestra de una variablelognormalmente distribuida con media 0 y desviación estándar8 dB; PTx es la potencia de Tx; G es la ganancia combinada dela antena en recepción y transmisión, KF la atenuación entrepisos y LPATH las perdidas en espacio libre. La relación señal aruido se expresa como:

(2.2)

Donde k es la constante de Boltzman establecida como k=1.38-

23 Jouls/Kelvin; Tsys es la temperatura del receptor subdivididaen la temperatura de fondo escalada por la figura de ruido en elreceptor menos 1. Asumiendo temperatura ambiente en elreceptor, una SNR=10, una frecuencia de 2440 MHz la energíapor bit de Tx es:

(2.3)Se propone un esquema en el que la transmisión de bits entredos sensores A y B se realice mediante saltos entre variosnodos intermedios aprovechando la alta densidad ygranularidad de la red para de minimizar la energía deradioenlace. En orden de encontrar una cota para la energía detransmisión de bits se asume que la distribución de los sensoresen el área de cobertura es uniforme y por tanto E[disti]=distprom:

(2.4)Para valores de α>0, β>0 y disti>0, número óptimo de saltosintermedios entre dos nodos es:

(2.5)Por ejemplo con β=0.12 femtojules/m2 un salto sobre 15 metrosrequiere 0.25 nanojules por bit mientras que 4 saltos de 3.2metros requieren solamente 4*2 picojules por bit. La soluciónpor multi-saltos reduce la energía de Tx por un factor de 31.25con una relación señal a ruido de 10. Los algoritmos deenrutamiento computan el camino más corto basados en elcosto energético asociado con cada radio enlace de nodo ennodo utilizando una métrica de distancia con una altagranularidad. Existe para ello una aproximación muy en bogaen los últimos tiempos y ampliamente diseminados en laliteratura técnica [8]-[13] como es enrutamiento proactivo en elcual la capa de red Distribition Service (DS) periódicamenteactualiza las rutas óptimas ya que la movilidad de los nodosaleatoriza el esquema de radio propagación.

Figura 2.1. Número Optimo de Saltos Intermedios entreDos Nodo s Inalámbricos Contra la Distancia de Separación

Cuando un paquete de datos necesita ser transmitido el DSconoce la ruta óptima mediante un tráfico cursado por lasconstantes actualizaciones en la topología de la red. DSDV(Destination-Sequenced Distance-Vector) es una variación delalgoritmo de enrutamineto Bellmand-Ford para Internet clásico[8] en el que cada nodo mantiene una tabla de enrutamientocon direcciones actualizadas en el formato (Destino, Próximosalto, Costo, Número de secuencia, Tiempo de vida),actualización y envío a los nodos vecinos son listados enmarcos de datos más pequeños (Destino, Metrica, Número desecuencia).

Figura 2.2. Algoritmo DSDV Completo para cada Sensor

SNREb

Rx

N0

EbRx

.k Tsys

EbRx

.Tfondo

.TRc

( )F 1 k

EbTx

...12.72 10 17 π 2d2 .β

2d2

SaltosOptim

Techo .distTotal

βα

Eb

α SaltosTotal

.β

= 1

SaltosTotal

i

disti

γ

0 5 10 15 20 25 300

2

4

6

87

0

s_opt( ),d o

280 d

Este mecanismo permite a los nodos vecinos rápidamentepropagar información de enlace al nodo fuente sobre el estadodel nodo de destino. La obtención del costo energético estádeterminada por la medición del RSSI (Received SignalStrength Indicator) como parámetro único y suficiente deaproximación. La diseminación del costo energético a través dela red con el protocolo DSDV asegura que todos los nodos dela red reciban un estado actualizado de la topología dediseminación de sus vecinos, esto es debido al hecho que losnúmeros de secuencia son incrementados en cadaactualización de la simulación. El número de actualizacionesperiódicas a partir de cada corrida de simulación dependerá dela cantidad de tráfico cursado en la red:

Figura 2.3. Número de Paquetes por Actuali zación en Todala Red con Sobre-encabezamiento de 240 Bytes

El tráfico asociado por actualización depende del número denodos en la red:

Figura 2.7. Sobre Tráfico Generado por Actualización tantopara el Algoritmo Bellman-Ford como para la SimulaciónImplementada en la Optimización del DSDV

El protocolo DSDV establecerá una ruta si los números desecuencia o la métrica de costo energético por actualizaciónson mejores que la tabla de enrutamiento actual, es posibleque determinar la ruta óptima genere oscilaciones indeseables

alrededor del punto óptimo debido a transcientes inestables decosto energético en la topología de la red. Una forma de evitaresto es suavizar el esquema de la red, es decir los nodos quefluctúen mucho en el esquema de movilidad no seránactualizados ni los números de secuencia ni en su costoenergético logrando así que la red llegue a su estado derégimen en más corto tiempo evitando así fluctuacionesindeseables sobre todo en los números de secuencia, pues sonlos más sensibles el las actualizaciones periódicas delalgoritmo DSDV.

III. ARQUITECTURA DE LA RED WLAN IEEE 802.11Una red inalámbrica de área local WLAN 802.11 consiste enuna estructura que posee un conjunto básico de servicios oBasic Service Set (BSS´s) compuesta de estaciones o nodosinalámbricos que son conectadas a una capa de distribución dered o DS. Cada BSS está conformado por nodos móviles oestaciones que se encuentran controlados por una DistributedCoordination Function (DCF) que determina que nodo tienederecho a transmitir o recibir información en el medioinalámbrico de radio propagación. Las estaciones en un BSSobtienen acceso a la capa DS y por lo tanto a otros nodosinalámbricos fuera de su área de cobertura a través del AP.Una estación puede estar conectada solo a un AP en uninstante dado de tiempo en la simulación. La capa DS soportala movilidad de los nodos mediante direccionamiento eintegración de forma transparente a la computación interna dela información en las estaciones.

Figura 3.1 Arquitectura de la WLAN IEEE 802.11 [15]

A. La Capa MAC y los Protocolos Asíncronos del DCFLa norma IEEE 802.11 permite el monitoreo de la portadora enforma física a través de la interferencia aérea de las radioondas y de forma virtual a través de la subcapa MAC. Elmonitoreo físico de la portadora detecta la presencia de otrosusuarios WLAN IEEE 802.11 analizando todos los paquetesdetectados y monitoreando la actividad del canal vía mediciónde la potencia relativa de la señal proveniente de otras fuentes.La previsión de las colisiones en el protocolo Carrier SensingMultiple Access/Collision Avoidance (CSMA/CA), se realizamediante la configuración de un tiempo de backoff, si un nodoinalámbrico esta listo para acceder al canal de controlinicialmente sensa el canal para determinar si está o noocupado, si está ocupado espera a que se encuentre Idlemediante el NAV (Network Allocation Vector) en cual se activa

0 500 1000 1500 20000

5000

1 104

10000

1

Paquetes( )sensores

20001 sensores

Sobre Tráfico en Bytes po r Actualización

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

20 30 40 50 60 70 80 100

Número de Sensores

Byt

es p

or A

ctua

lizac

ión

ActualBellman-FordOptimizadoDSDV

cuando se detectan los respectivos marcos RTS Request ToSend y CTS Clear To Send de los nodos que se encuentranutilizando el canal de control; una vez el canal se encuentraIdle se determina el Distributed Coordination FunctionInterframe Structure (DIFS) y se procede a computar el tiempode aleatorio de backoff para evitar las colisiones con otrosnodos inalámbricos, la estación espera a que el contadorinterno llegue a cero o en su defecto el canal de control vuelvaa estar en estado de ocupación, si el timer no ha llegado a ceroy el canal lo ocupa otro nodo inalámbrico, el contador regresivose detiene, al recibir de nuevo el DIFS, el contador re inicia sumarcha regresiva y cuando llega a cero envía su marco RTS. Sidos o más estaciones llegan a cero en su contador interno almismo tiempo o en su defecto en la ventana de vulnerabilidad(Tiempo de Tx del RTS) el AP asume que ocurrió una colisión yse procede a re iniciar el proceso de acceso al canal de controldejando el CTS=0, después del envío del RTS por parte dealguno de los nodos inalámbricos.

Figura 3.1 Protocolo CSMA/CA para el DCF [15]

El CTS avisa a todas las estaciones en el BSS que unacomunicación esta siendo cursada, una vez el paquete hallegado a la estación de destino adecuadamente se respondecon Acknowledge (ACK). El MacProtocol Data Unit MPDU seencuentra enmarcado dentro del servicio (TBS)Time BoundedServices que incluye las entidades DIFS y (SIFS) ShortInterframe Space. El Throughput o caudal del canal de controlde las estaciones obtenido analíticamente [3]:

(3.1)

Figura 3.2. Caudal CSMA/CA

E[Bu] valor esperado del tiempo válido de utilización del canalcon distribución exponencial.Nótese que el éxito en la estrategia de ahorro en el consumode energía radica en “saber antes de”, para el enrutamientoproactivo, saber antes de enviar los frames de información cuales la ruta óptima de menor costo energético, y para la capaMAC, saber antes de acceder al canal si este se encuentra ono en régimen de colisión. Para el desarrollo de la capa MACse especifica en este trabajo la implementación del procesadorPleiades:

Figura 3.3 Procesador Pleiades para la Capa MAC.

Pleiades Processor posee una arquitectura globalmenteasíncrona localmente sincronizada reconfigurable, tecnología0.25µm 6-metal en silicio, con arreglos programables dediferentes granularidades denominados satelites; posee unrendimiento de 50 MIPS/mW, desarrollado por la Universidadde California en Berkeley. Combina un procesador asíncornoARM8 con 21 procesadores satelites entre ALUs, generadoresde direcciones y arreglos FPGA de baja potencia alimentadocon 1V. A través de una unidad interfase de control el ARM8configura el mapeo de memoria de los satelites por medio deun bus de comunicación que utiliza dos pares de interfases IOpara puertos de memoria directa read/write. Las conexionesentre los módulos satelitales son llevadas a cabo a través deuna interconección reconfigurable con estructura enmalladacon dos niveles de jerarquía. El microprocesador embebidoARM8 es optimizado para operación en régimen de bajapotencia con protocolos internos asíncronos de conexiónsoportando diversos valores de voltaje según requerimientosde comunicación con el Tranceiver. Los generadores dedirecciones y las memorias embebidas son distribuidas parasoportar comunicación paralela de datos a las ALU decomputación, soportan varios patrones de direccionamiento conciclos internos de flujos de datos. El FPGA embebido soportaarreglos de 4*8 de 5 entradas-3 salidas Connection SwitchesBoxes optimizadas para operaciones matemáticas y funciones

sE B

u

E( )B E( )I

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

0.2

0.4

0.6

g=Tráfico Cursado

Thr

ough

put

0.503521

0.00331896

s1( )g

10.001 g

de control sobre flujo de datos; contiene 3 niveles deinterconexiones jerárquicas sobre arboles de decisión. Lamicroprogramación obedece el siguiente algoritmo:

Figura 3.4 Algoritmo de Microprogramación CSMA/CA

El Throughput obtenido por simulación:

Figura 3.5 Throug hput CSMA/CA Simulado p or elProcesador MAC

B. Capa Física de la Red PHY.La capa MAC de la WLAN IEEE 802.11 es independiente de lacapa PHY y el protocolo de comunicación entre las dos esrealizado por el Phisical Layer Control Protocol (PLCP) [15]dependiente Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS). ElPLPC es capaz de operar con modulación 2GFSK (GaussianFrequency Shift Keying) y potencia nominal de Tx de un framepromediado entre el comienzo del primer y último octeto delencabezado PLCP y que para este caso se logró optimizar en1mW. El radiotransmisor diseñado en este proyecto permite laintegración entre los circuitos activos de Tx - Rx y el procesador

de la sub capa PLPC dejando factores externos como lasespecificaciones del amplificador de potencia que alimenta laantena transmisora. Transmisor diseñado en Eesof HP™:

Figura 3.6. Transmisor FHSS IEEE 802.11, 2440 MHz

Características: Una transformación en banda base que mapeaun grupo de 4 bits a transmitir en una señal discreta medianteun DAC reduciendo así el ancho de banda de la señal enbanda base en un factor de 4. Modulación FM directaempleando un VCO alimentado por el DAC produciendo unafrecuencia intermedia estándar de 70 MHz de banda angosta:

Figura 3.7. Espectro FM VCO Filtrado IF a 70 MHz, Bw=1.2KHzModulación de espectro ensanchado lograda por un VCO quevaría en frecuencia de forma aleatoria y que es producida porun DAC que alimentado por una secuencia Pseudo Aleatoria PNy un PLL con un ancho de banda de 40 MHz caracterizado porun VCO que posee una referencia centrada en 2440 MHz y queevita filtrado RF y efectos de realimentación del amplificador depotencia que alimenta la antena transmisora.

Thr oug hput del Canal de Cont rol

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.01

0.08

0.15

0.22

0.29

0.36

0.43 0.

50.

570.

640.

710.

780.

850.

920.

99

Tr áf ico Cur s ad o

Figura 3.8. Espectro Ensanchado a 40 MHz por el PN

Se muestra el espectro de 20 de los 32 saltos de la portadorade un código PN con 5 bits de ganancia. La señal a la salida deltransmisor se puede observar:

Figura 3.9. Espectro de la Señal a Transmitir a 2440 MHz

El receptor opera con demodulación no coherente FSK pordetección de envolvente de las componentes en fase y encuadratura [5], [2]. Un limitador estabiliza la señal para que elproceso de demodulación IF sea invariante a los cambios en laamplitud de la señal de entrada haciéndola más inmune al ruidoy manteniendola sobre parámetros de sensibilidadespecificados por la norma IEEE 802.11 [15].

Se obtiene también la medición del RSSI sobre un modulo DSPdedicado.

Figura 3.10 Receptor FHSS no coherente FSK

Después de varias corridas de simulación en Omnisys HewlettPackard Eesof ™ con parámetros cambiantes de ruido, potenciade recepción y distancia de separación el desempeño deltransceiver se puede apreciar:

Figura 3.11. Tasa de Frames en Error contra Potencia deRecepción en dBm del Transceiver FHSS IEEE 802.11

IV. CODIFICACIÓN PARA MÍNIMA ENERGÍASe simulo el esquema de codificación mediante los ParallelConcatenated Convolutional Codes (PCCC´s) por su excelentedesempeño de SNR para sistemas limitados en potencia [16]-[20]. Un encoder PCCC consta de dos Recursive SistemáticConvolutional encoders (RSC) idénticos que reciben la mismainformación, pero el segundo RSC recibe los bits deinformación permutados aleatoriamente por un interleaver. Esen el interleaver donde los PCCC´s adquieren su carácteraleatorio desde el punto de vista del canal Additive WhiteGaussian Noise Discrete Memoryless Channel (AWGN DMC).Para los PCCC´s entre más grande sea la longitud de la palabracódigo menor será la probabilidad de error en el receptor, lo queintroduce cierta latencia al sistema completo, mas sin embargoun frame MPDU IEEE 802.11 posee alrededor de 1024 bits y

Desempeño d e Transce iver

0.001

0.01

0.1

1

-90

-89

-88

-87

-86

-85

-84

-83

-82

-81

-80

-79

-78

-77

-76

-75

-74

Potencia de Recepción en d Bm

Tas

a de

Fra

mes

en

Err

or

con esa longitud la eficiencia del código minimiza los efectos delatencia:

Figura 4.1. Encoder PCCC con dos RSC ParalelosConcatenados con un Interleaver [17]

El esquema de decodificación involucra el algoritmo Soft OutputViterbi Algorithm SOVA de forma iterativa a través del caminodel Trellis generado por los 2 encoders RSC:

Figura 4.2. Decodificador Iterativo SOVA [18]

En la primera iteración el primer decoder SOVA utiliza un bitmensaje y un bit de paridad del primer encoder para obtener unfactor de corrección C1 generado en el Trellis, C1 junto con elbit mensaje y el bit de paridad del segundo encoder producenen el decoder SOVA 2 un factor de corrección C2, C2 esrealimentado en el decoder 2 para la segunda iteración y asísucesivamente:

Figura 4.3 Desempeño del Código SOVA con 4 Iteraciones y1024 Bits por FrameGanancia del código 5 para SNR 2.5 dB y B.E.R=10-4 conrespecto a un detector FSK no-coherente.

V. DESEMPEÑO DE LA REDPara obtener el Quality of Service (QoS) de la red, se simuló elsiguiente algoritmo por eventos discretos:

Figura 5.1. Algoritmo por Eventos Discretos para QoSPara un ejemplo de aplicación en un edificio industrial de 3pisos:

Figura 5.2. Area de Propagación para Ubicación aleatoriade Sensores

Figura 5.3. QoS de la Red de Telemetría

Desempeño

1.00E-04

1.01E-02

2.01E-02

3.01E-02

4.01E-02

5.01E-02

6.01E-02

7.01E-02

8.01E-02

9.01E-02

1.00E-01

1.00E+00 1.50E+00 2.00E+00 2.50E+00

Eb/N0 dB

BE

R

Grado de s erv ic io de la red

00.02

0.040.06

0.080.1

0.120.14

0.160.18

Tráfic

o to

tal 5 15 25 35 45 55 65

Pro

babi

lidad

de

bloq

ueo

12 Accesspoints por piso,20 códigos PN,5 canales

7 Access pointspor piso, 12códigos PN, 5canales

4 Access Pointspor piso, 10códigos PN, 5canales

RESULTADOS CONCRETOS:

Sobre Tráfico Generado por Actualización tanto para elAlgoritmo Bellman-Ford como para la Simulación Implementadaen la Optimización del DSDV

Ejemplo de Tabla de Enruramiento generada por el Algoritmo:Tabla de Enrutamiento

DSDVDestino Próximo

SaltoCosto

EnergéticoNúmero deSecuencia

Tiempo de Vida

S26 S42 16.14 214-S26 Tiempo_S26S18 S62 64.25 118-S62 Tiempo_S17S62 S42 17.21 205-S62 Tiempo_S64S42 S26 38.49 158-S42 Tiempo_S40S14 S42 15.16 176-S14 Tiempo_S13

Procesador MAC:

Número de Paquetes por Actualización para el algoritmo DSDVen Toda la Red con Sobre-encabezamiento de 240 Bytes:

Número Optimo de Saltos Intermedios entre Dos NodosInalámbricos Contra la Distancia de Separación:

Características Eléctricas:

Tecnología 0.25 micras, 6 niveles de metalCMOS

Voltaje de Alimentación 1VTamaño 5.2 mm * 6.7 mm

Número de Transistores 1.2 MillonesVelocidad de ciclo promedio 40 MHz

Potencia de Disipación 1.2 mW

Sobre Tráfico en Bytes po r Actualización

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

20 30 40 50 60 70 80 100

Número de Sensores

Byt

es p

or A

ctua

lizac

ión

ActualBellman-FordOptimizadoDSDV 0 500 1000 1500 2000

0

5000

1 104

10000

1

Paquetes( )sensores

20001 sensores

0 5 10 15 20 25 300

2

4

6

87

0

s_opt( ),d o

280 d

Desempeño de los componentes en términos de consumoenergético y velocidad de computación:

Modulos HW Velocidad en (ns) Disipación deEnergía en (Pj)

MAC 24 21ALU 20 8

Memoria (1k*16) 14 8Memoria Cache

(512*16) 11 7Generador deDirecciones

20 6

FPGA 25 18

Desempeño del Radio transmisor FHSS IEEE 802.11

Desempeño del Esquema de Decodificación SOVA con 4Iteraciones y 1024 Bits por Frame:

Throughput CSMA/CA Simulado por el Procesador MACcon MPDU=40 ms, Frame Body=500 ms, 4kbps:

Distancia deSeparación(m)

Potencia deRecepciónen dBm

Tasa deFrames enError FSK no-coherente

Tasa deFrames enError con

Codificación17 -90 1 0.0216 -89 0.7 0.0115 -88 0.6 0.001614 -87 0.54 0.00113 -86 0.5 012 -85 0.42 011 -84 0.25 010 -83 0.21 09 -82 0.18 08 -81 0.13 07 -80 0.1 06 -79 0.056 05 -78 0.022 04 -77 0.017 03 -76 0.01 02 -75 0.0094 01 -74 0.0012 0

QoS de la red en un edificio de 200m*200m por piso con trespisos de 3 m de altura, potencia de Tx=1 mW:

Thr oug hput del Canal de Cont rol

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.01

0.08

0.15

0.22

0.29

0.36

0.43 0.

50.

570.

640.

710.

780.

850.

920.

99

Tr áf ico Cur s ad o

Desempeño d e Transce iver

0.001

0.01

0.1

1

-90

-89

-88

-87

-86

-85

-84

-83

-82

-81

-80

-79

-78

-77

-76

-75

-74

Potencia de Recepción en d Bm

Tas

a de

Fra

mes

en

Err

or

Desempeño

1.00E-04

1.01E-02

2.01E-02

3.01E-02

4.01E-02

5.01E-02

6.01E-02

7.01E-02

8.01E-02

9.01E-02

1.00E-01

1.00E+00 1.50E+00 2.00E+00 2.50E+00

Eb/N0 dB

BE

R

Calid ad d el se rv ic io red

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

2.5 10 20 30 40 50 60

Trá fi co to ta l

Pro

babi

lidad

de

caid

a

12 Access pointspor piso, 20códigos PN, 5canales

7 Access pointspor piso, 12códigos PN, 5canales

4 Access Pointspor piso, 10códigos PN, 5canales

CONCLUSIONESSe diseño exitosamente una red inalámbrica de área local conmínimo consumo de potencia para telemetría y control.

La apropiada comunicación entre los componentescomputacionales y de comunicaciones con los algoritmosplanteados en un radiotransmisor minimizan el consumo deportencia en dos ordenes de magnitud con respecto a unaaplicación Bluetooth.

La computación distribuida sobre varios nodos inalámbricosoptimiza el consumo de potencia desde el punto de vista globalde la red.

Systems on a Chip (SoC´s) de alta eficiencia e integraciónpermiten la decodificación del los PCCC´s con el algoritmoSOVA sin excesiva introducción de latencia para mínimoconsumo de energía.

Las herramientas de simulación implementadas son útiles paraobtener el desempeño de una red para telemetría con bajoconsumo de potencia.

Trabajo por desarrollar: Diseño Full Custom de transceiverinalámbrico de alta frecuencia IEEE 802.11

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