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Telemetría: Diferencia entre comunicaciones alámbricas e inalámbricas

La telemetría consiste en transmitir lecturas o medidas, desde un punto a otro, para ello naturalmente se necesita de comunicación, esta última puede ser física (cableada) o a través de ondas electromagnéticas o de radio frecuencia. De manera simple la transmisión cableada, generalmente a través de Ethernet es más robusta y rápida pero requiere de instalación y más materiales, por ende la inversión inicial en un proyecto de telemetría naturalmente es más cara.

Técnicamente se distinguen las siguientes diferencias entre comunicación alámbrica e inalámbrica:

· La comunicación física se desarrolla en un medio como cables de cobre o fibras ópticas. Las propiedades de estos están bien definidas y son invariables en el tiempo. En el caso inalámbrico el medio es todo lo que está entre el transmisor y recibidor, por ende el medio de transmisión varía con el tiempo, sobre todo en el caso de celulares.

· El aumento de capacidad en alámbricas puede realizarse utilizando distintas frecuencias en el mismo cable o instalando pares adicionales. El aumento de capacidad en inalámbricas, se debe hacer utilizando tecnologías más sofisticadas tanto de protocolo como electrónicas. El espectro radial, por normas no puede ser expandido.

· El rango de distancia en alámbricas está dado por la atenuación del cable, en el otro caso también por la atenuación de la señal pero se suman otros efectos, como paredes, autos en movimiento que puedan interferir, etc.

· La latencia de la red está determinada por la máxima distancia de cable y de posibles repetidores, en el caso de telemetría móvil está dado por la distancia y el medio entre la estación base y la móvil por ende es variante en el tiempo.

· La tasa de errores de transmisión, (Bit error rate) se reduce fuertemente aumentando la potencia de la señal o el ratio señal/ruido (SingaltoNoise Ratio). En inalámbricas aumentar la potencia o aumentar SNR, no necesariamente reduce el BER, y si lo hace, se hace de manera suave o lineal. Por ejemplo si hay un edificio entre la base y la estación móvil de telemetría, que transmite lecturas de un PLC, por más que se aumente la potencia de la señal, siembre llegara distorsionada al móvil.

· Interceptar la señal alámbrica es imposible, sin intervenir directamente el cableado. En el caso inalámbrico es muy fácil interceptar una señal, por ende la encriptación en telemetría inalámbrica es necesaria y por consiguiente aumenta la ineficiencia del sistema.

· En las aplicaciones de telemetría cableadas, la energía se toma de una fuente fija, por ende la energía usada en la transmisión no es una alta prioridad. En el caso de las inalámbricas se debe reducir al máximo el uso de energía en las estaciones móviles, para maximizar la vida de la batería.

Se concluye que la comunicación inalámbrica es más compleja, sin embargo debido a su simplicidad y movilidad es preferida en aplicaciones de telemetría.

802.11 usado en telemetría

La gran mayoría de las aplicaciones de la telemetría están basadas en las comunicaciones inalámbricas. Disponen de una fácil instalación a diferencia de las redes cableadas, que constan la base alternativa para la telemática. Se podría decir que la mayor ventaja que dispone una red inalámbrica versus una red cableada es la “movilidad”; las estaciones o clientes son libres de movilizarse, siendo el ejemplo más claro el celular.

De los estándares inalámbricos el más popular en telemetría de alta transferencia de datos es el 802.11, o más conocido como su acrónimo Wi-Fi (WirelessFidelity). Este estándar puede comunicarse a través (capa física OSI) de ondas electromagnéticas (RF) o a través de luz infrarroja. Al día de hoy ha triunfado con creces la comunicación RF debido a la posibilidad de atravesar obstrucciones, como murallas en un edificio.

El rango de frecuencias o el espectro electromagnético esta etiquetado por las frecuencias ISM y no es necesario patentar su uso en telemetría. Por teoría de señales e informática se sabe que a mayor segmento de frecuencias (más diferencias de MHz) mayor Kb/s de transferencia se pueden obtener en la telemetría.

El Wi-Fi tiene cosas en común con Ethernet, como las direcciones MAC de cada hardware físico, sin embargo no son iguales. Se podría decir que Wi-Fi es bastante más complejo. En una instalación 802.11 en M2M se pueden distinguir lo siguiente:

· Sistema de distribución: Se define como la interconexión que necesitan los APs. En la gran mayoría de estas aplicaciones, se utiliza el Ethernet y un “motor de puente” que actúan como distribución. También existe el sistema (Wirelessdistributionsystem) “WDS”, el cual los AP ocupan la red inalámbrica en vez de Ethernet. El protocolo que los AP utilizan entre sí es llamado (Inter-accesspointprotoco) IAPP. Es importante notar que el router entrega los paquetes dirigidos dirección MAC indicada, y son los APs los encargados de encontrar la estación respectiva, por esto es importante que los APs se intercomuniquen y exista una lista de estaciones que especifique su respectivo AP de conexión.

· Access points: Su función principal es realizar el puente entre la red cableada y la red inalámbricas. Es el encargado de entregar la conectividad inalámbrica. Actualmente los productos comerciales ofrecen distintas funciones en el mismo Hardware.

· Medio inalámbrico: El más común son las ondas de radio frecuencias, cuyo medio es el aire.

· Estaciones: El objetivo de las redes, tanto alámbricas como inalámbricas es transmitir información entre las estaciones. Generalmente son computadores, en telemetría se puede tratar de una central meteorológica que envía lecturas de temperatura y recibe variables de control.

El estándar 802.11, da cabida a dos tipos de configuraciones de redes: Ad-hoc y de infraestructura. Las redes ad-hoc contemplan sólo estaciones, de manera que se comunica solamente a través de ellas. Las redes de infraestructura contemplan el diagrama anterior, necesariamente incluyen un AP, y todo paquete de información enviado necesariamente tiene que ser a través del AP. En telemetría, telemática

o M2M generalmente vemos redes de infraestructura, pero también se puede dar el caso de combinación de estas.

Los servicios o funciones que entrega la red Wi-Fi en telemetría, se distinguen según se originen en la distribución o en las estaciones:

· Originados por distribución: Distribución, Integración, asociación, re asociación y disociación.

· Estación: Autenticación, des autenticación, privacidad y entrega de MAC ServiceData Unit (MSDU).

Al aplicar la telemetríaes útil tener claro estos fundamentos.

Telemetría: Selección de estándares inalámbricos

Cada proyecto M2M requiere algún grado de conectividad inalámbrica, en algún segmento del camino de la información, al menos para la gran mayoría de los casos. Existen números estándares inalámbricos que pueden ser aplicados a un proyecto de telemetría. ¿Cómo saber que tecnología es apropiada para cada proyecto de telemetría? La respuesta es que depende de muchos factores, que puntualmente se detallan:

· Tasa de transmisión de datos: Diversas aplicaciones necesitan distintas transmisiones de datos. Por ejemplo, protocolo como ZigBee usado para controlar o monitorear variables como temperatura, velocidad, etc. a distancia necesita bajísima tasa alrededor de 1 kbit/sec. Aplicaciones de voz tanto en el caso de celulares cómo teléfonos inalámbricos requieren de una tasa menor a los 60 Kbit/sec. Aplicaciones como teclados e impresoras inalámbricos, requieren mayor ancho de banda. Aún mayor transferencia de datos se requiere en las redes inalámbricas Wifi. En proyectos de telemetría generalmente se necesita baja transferencia de datos, a excepción de transferencia de vídeo.

· Alcance y número de usuarios: Por alcance se entiende por la máxima distancia entre el transmisor y receptor de la comunicación, p. ejemplo: distancia entre una antena de red de celular y el móvil. En redes BAN (BodyArea Networks), el alcance es de alrededor de 1 metro y la cantidad de usuarios naturalmente es uno. En PAN (Personal Area Networks), el alcance son muy pocos metros y la máxima cantidad de dispositivos es baja. Casos como WLAN aumenta el rango a unos 100 metros, y la cantidad máxima de usuarios generalmente es menor a 10. En la telefonía celular el alcance es de varios kilómetros y con una cantidad de usuarios menor a 50. Según el proyecto de telemetría o M2M, se deberá analizar el alcance requerido y número de usuarios. En la comunicación satelital el rango es mucho más amplio aún, pero el número de usuarios es bajísimo.

· Movilidad: En las redes estacionarias existe una base transmisora y las estaciones que pueden ser móviles. Sin embargo existen casos de aplicaciones WIFI fijas, por ejemplo en el caso de un Desktop. Los notebooks tienen un grado mayor de movilidad, cambian de posición. Los celulares tienen un alto grado de movilidad, e incluso la red GSM tienen un correcto funcionamiento con el equipo a velocidades inferiores a 300 km/hora (interior de un vehículo). En telemetría, se dan todos los casos, en un rastreo gps se da un alto grado de movilidad y en un sistema de monitoreo de un proceso de una fábrica es completamente estático.

· Consumo de Energía: El consumo de energía de la transmisión inalámbrica generalmente está dado por 2 variables: La distancia que debe transmitir la señaly la tasa de transferencia de datos. En el caso de ZigBee, alcanza grandes distancias pero es muy eficiente energéticamente debido a la baja transferencia de datos. Generalmente los proyectos de telemetría se basan en protocolos que consumen baja cantidad de energía por la baja transmisión de datos, y en el caso del GSM/GPRS la mayor cantidad de energía esta suplida por la antena receptora.

· Espectro de frecuencia: Cada comunicación inalámbrica debe ocupar un rango de frecuencias. En el caso de las grandes compañías de telefonía móvil, generalmente compran un espectro dado. También existen espectros reservados para algunas aplicaciones, cómo es el caso de teléfono inalámbricos. Por último están los espectros libres como es el caso de Wifi y Bluetooth donde cada usuario debe cuidar la interferencia.

· Dirección de la transmisión de señales: En el caso de la TV, es una dirección completamente unidireccional o simplex, en los teléfonos celulares bidireccionales o full-duplex. En la telemetría si se requiere sólo monitorear la aplicación será simplex, si se desea controlar un proceso será full-duplex.

· Calidad del Servicio: Se deben considerar la calidad de los servicios en términos de cobertura y calidad de transmisión. En el caso de la telefonía móvil se necesita gran cobertura, bajo número de llamadas fallidas y máxima disponibilidad para realizar llamados. Otro aspecto a considerar es la “latencia”, por ejemplo no debe haber más de 100 ms entre que una persona hable y la otra escuche. En telemetría, la calidad del servicio dependerá según la necesidad del proyecto, por ejemplo no es necesario disponer permanentemente de cobertura en un rastreo GPS, debido que las posiciones se pueden guardar en un stack y ser enviadas cuando la cobertura se retome.

Protocolo Ethernet y la Telemetría

El protocolo Ethernet probablemente la base del internet y naturalmente ocupado en la telemetría. De esta manera los protocolos de más nivel como TCP/IP, UDP están montados sobre este protocolo. Analizaremos cuatro puntos que son importantes en el área de la telemetría respecto al Ethernet: Procolo ARP, Tiempo Slot, full-duplex y encapsulación. Para obtener una correcta implementación en telemetría o M2M es vital conocer los fundamentos de los protocolos.

Como sabemos cada estación o máquina tiene su dirección MAC. Cuando una máquina necesita comunicar con otra máquina, esta debe saber su dirección MAC. ¿Cómo enviar un mensaje sabiendo sólo la dirección IP?

Existe un protocolo llamado “AddressresolutionProtocol”, que se encarga de averiguar las direcciones MAC de los computadores. Antes de enviar un mensaje TCP/IP en una LAN, el computador debe “preguntar” a todos los demás computadores de la red LAN, a quien le corresponda dicha dirección IP. Al obtener el mensaje el computador destinatario, este envía un mensaje al PC de origen (Dirección IP y MAC ya enviadas), con la nueva dirección MAC del computador. Lo anterior describe brevemente el protocolo ARP. Las direcciones IPv4 son de 32 bits y las direcciones MAC consisten de 48 bits. En palabras simples el protocolo ARP realiza la equivalencia entre la dirección MAC e IP de cada estación de trabajo. Este proceso actúa casi invisiblemente en el inicio de un proyecto de telemetría.

Como sabemos que el protocolo Ethernet ocupa el sistema CSMA/CD para transferir datos, existe una variable importante para la performance de la red Ethernet. Es conocido como el tiempo de “slot”. El tiempo de slot contempla dos intervalos de tiempo:

· Tiempo de propagación round-trip: Este tiempo se refiere al máximo tiempo que demora una señal en ir y volver de los lugares más extremos de la red. Por ende, mientras más lejos esteuna estación (más distancia de cable), mayor será este tiempo.

· Tiempo requerido para detectar una colisión. En una red basada en Ethernet, cuando un computador necesita realizar una comunicación detecta si es que el canal está disponible (carriersense). Si está disponible y si hay más de un computador iniciando una comunicación, se producirá una colisión. Este tiempo se refiere al tiempo que tarda cada máquina en detectar dicha colisión.

Si existe un mal desempeño en la red, siendo el tiempo slot muy grande, se reflejara en etapas posteriores de la telemetría.

Es importante señalar que las colisiones en Ethernet no son dañinas, son parte del comportamiento natural del protocolo. Cuando ocurren, se descartan los mensajes enviados y cada máquina espera tiempo aleatorio (backoff) para empezar comunicación.

Lo anterior es válido para las comunicaciones half-duplex. En las comunicaciones full-dúplex no se utiliza el protocolo CSMA/CD y MAC. Una comunicación full dúplex es dos veces más rápida que half-duplex.

Para que pueda existir comunicación full dúplex se deben dar las siguientes condiciones:

· Se debe tener caminos o cables independientes para enviar y recibir simultáneamente

.

· Se debe tener una conexión punto a punto solamente, teniendo la capacidad anterior.

· Ambas estaciones LAN deben estar configuradas al modo full dúplex.

Las comunicaciones punto a punto son comunes en la telemetría, por ejemplo un equipo de adquisición de datos puede estar conectado a módem GPRS.

La propiedad que permite a los protocoles de más alto nivel a basarse en Ethernet y ser independiente a este, es conocida como “encapsulación”. Esto quiere decir que el protocolo de alto nivel se añade al protocolo Ethernet. A nivel de software, se debe extraer el mensaje escrito, en protocolo TCP por ejemplo, a través de un proceso conocido como “demultiplexing”. Son los protocolos de más alto nivel, los que se encargan mayormente de evitar errores, por ende constan de una buena garantía al realizar un proyecto de telemetría.

Protocolo Ethernet aplicado a la telemetría

Cuando hablamos de telemetría, nos referimos a una comunicación de una máquina a otra máquina (M2M). Latelemetría empieza de una máquina desde nivel bajo (cercano al hardware) hasta una máquina de interacción con el usuario. Para lograr la telemetría se deben utilizar numerosos protocolos informáticos, tanto los protocolos estándares de internet (TCP/IP, UDP, Ethernet, FTP, HTML…) cómo protocolos desarrollados según la necesidad del proyecto.

Existe un estándar cercano al hardware que es básico en ambos extremos de la telemetría. Se podría decir que es más que un protocolo ya que concierne a la infraestructura física de comunicación cómo los cables y conectores. Este estándar fue inventado hace casi 40 años, es por lejos el más utilizado en las redes de computadores o LAN. El Ethernet fue llamado por enviar bits a todas las máquinas conectadas en su red, tal como el “ether luminoso”, medio que propaga ondas a todo su espacio.

En referencia al modelo OSI, el Ethernet está presente en las primeras 2 capas: Física y Enlace de datos. La primera se refiere a lo que es hardware y cableados, y la segunda describe comunicaciones entre máquinas. El protocolo Ethernet en sí ocupa el protocolo MAC (Media Access Control). Este protocolo MAC se encarga de fijar reglas para la comunicación entre computadoras, cómo por ejemplo enviar información a un set de computadoras (MulticastAddress).

El protocolo Ethernet en la capa enlace de datos, contempla 3 básicas propiedades que son útiles en la telemetría:

o CarrierSense: Este input es encargado de verificar que no exista comunicación en el canal antes de transmitir. Debido al uso de distintas frecuencias, dentro de un mismo cable existen distintos tipos de canales de comunicación.
o Multiple Access: Cuando el canal de comunicación está libre, todos los computadores tienen la misma oportunidad de iniciar la comunicación.
o CollisionDetection: Al iniciar 2 máquinas comunicación en tiempos similares, existe la posibilidad de que se provoque una colisión. Al provocarse una colisión ambas máquinas lo detectan y esperan un tiempo aleatorio para volver a transmitir el mismo mensaje.
Siguiendo en la capa de enlace de datos, se describe el packet o frame Ethernet:
o Preámbulo: 64 bits de información para alertar a las máquinas de este paquete. Estos mensajes son desechados, si los mensajes no son dirigidos a tales computadoras.
o Dirección de destino: 48 bits de MAC Address, que señala la máquina de destino.
o Dirección de origen: 48 bits de MAC Address, que señala la máquina de origen.
o Tipo y longitud del mensaje: 16 bits que señalan el tipo de protocolo siendo usado, p. ej: TCP/IP y el tamaño del mensaje.
o Data: 46 bytes mínimos y 1500 bytes máximos de información.
o CRC: 32 bits para chequear el correcto envío del mensaje.