Programación de controlador Zigbee Mimo para su uso con antenas leaky-wave en redes de sensores inalámbricas avanzadas

Autor: Mendoza García, José
Přispěvatelé: Asorey Cacheda, Rafael, Gómez Tornero, José Luis, Tecnologías de la Información y las Comunicaciones
Jazyk: Spanish; Castilian
Rok vydání: 2021
Předmět:
Zdroj: Repositorio Digital de la Universidad Politécnica de Cartagena
Fundación Universitaria San Pablo CEU (FUSPCEU)
Popis: Las redes WSN, basadas en el protocolo IEEE 802.15.4 [1] e implementadas con el estándar Zigbee [2], se usan para conectar dispositivos de bajo consumo y con una baja tasa de transmisión de datos, pudiendo cubrir áreas de corto alcance (del orden de los 100 metros como mucho) [3]. Bajo el concepto de smart WSN se engloban aquellas mejoras en las redes de sensores que permiten aumentar la eficiencia de estas, de suma importancia a la hora de reducir el consumo de baterías por parte de los sensores [4], [5]. En la mejora de la eficiencia general de una WSN intervienen muchos factores, como por ejemplo comunicaciones más eficientes con menores interferencias y mejor calidad de señal, el aumento de la cobertura radioeléctrica, la localización automática de los dispositivos desplegados en una WSN, la seguridad o la carga inalámbrica, entre otros. En cualquier caso, el uso de antenas inteligentes (bien conectadas solamente en el coordinador o también en todos los sensores) es una de las tecnologías facilitadoras para mejorar el enlace radioeléctrico y concebir redes de sensores más eficientes, siendo muchas las propuestas realizadas en este sentido en los últimos diez años [6]- [11]. Todos los diseños de antenas inteligentes para WSN se basan en el uso de antenas directivas o sectoriales reconfigurables mediante el uso de electrónica de tipo switched beam [7], [12]-[16]. Estos mecanismos aumentan el coste y el consumo de energía de los circuitos, así como el procesado de señal para adaptar la antena a las necesidades de la red de forma dinámica, lo cual es muy negativo en el contexto de redes de sensores eficientes energéticamente y despliegue barato. En este trabajo fin de estudio se estudiará una nueva topología para desarrollar un coordinador Zigbee con capacidad de beaming o enfoque adaptativo. Esto proporciona una elevada sencillez, tanto por el tipo de antena empleado como por el procesado de señal necesario para reconfigurar el haz. El enfoque 11 adaptativo se basa en el uso de antenas de onda de fuga (LWA) y esquemas de salto en frecuencia. Las LWA son muy sencillas estructuralmente y permiten generar un haz directivo que se puede escanear en una dirección simplemente variando la frecuencia de la señal de microondas [17]. Al igual que el prisma de Newton es capaz de desviar cada longitud de onda en una dirección distinta en el espacio, las LWA son estructuras radiantes pasivas que presentan esta interesante propiedad de enfocar la energía electromagnética hacia diferentes direcciones según la frecuencia de la señal. Si bien las LWA se han usado convencionalmente para aplicaciones RADAR [18]-[20], más recientemente se han propuesto en el contexto de antenas multihaz para aplicaciones de 5G en bandas milimétricas [21]-[26], así como para comunicaciones IoT ("Internet of Things") . El grupo de investigación GEAT de la UPCT junto con el que he desarrollado este TFG, ha propuesto el uso de LWAs para estimación del ángulo de llegada en sistemas radioeléctricos ("radio direction finding") [27]-[31]. Además, ha propuesto el uso de antenas de panel en configuración monopulso para localización en redes WLAN de tipo Wi-Fi [32]-[35]. De la misma forma, ha aplicado diseños de antenas LWA para localización en dichas redes Wi-Fi [36],[37] y redes WPAN de tipo Bluetooth [38]-[42], en la banda ISM de 2.4GHz. Más recientemente se ha propuesto también el uso de LWA para redes de sensores pasivos de tipo RFID en la banda ISM de 900 MHz [43],[44]. En cuanto a redes de sensores activos (WSN) de tipo Zigbee en la banda de 2.4GHz como las tratadas en este TFG, se hizo un primer intento de uso de las LWA para Transferencia Inalámbrica de Potencia (WPT, Wireless Power Transfer) en [45]-[47]. En cualquier caso, como se ha comentado anteriormente, el uso de LWA para localización de sensores y dispositivos móviles en redes inalámbricas IoT, se basa en el uso de esquemas de salto en frecuencia entre los canales disponibles en cada tipo de red inalámbrica. Las LWAs proporcionan inherentemente la generación de haces directivos escaneados, cuya dirección de apuntamiento varía al cambiar la frecuencia de la señal de radio. Esta 12 propiedad se llama "frequency-beam scanning", o escaneo del haz por variación de la frecuencia. Así, este TFE demostrará la aplicabilidad de una LWA, que ha sido sintonizada para enfocar y dispersar los 16 canales de Zigbee de 2,4 GHz en diferentes direcciones , para desarrollar un smart Zigbee coordinator que mejore la calidad de las conexiones usando técnicas de salto en canal (channel hopping) entre los 16 canales disponibles [48] y un esquema de diversidad espacial MiMo con dos puertos. Si bien el channel hopping en Zigbee está inicialmente concebido para aumentar la robustez frente a interferencias [49]-[53], al igual que la diversidad espacial [54]-[56], en este proyecto se explorará por primera vez la diversidad espacio-frecuencial de las LWA en el contexto de una Smart WSN. Para ello, el coordinador debe implementar tecnología MiMo y poder realizar saltos en frecuencia, para controlar la frecuencia del canal en dos puertos distintos de conexión a antena. Los experimentos se realizarán en un entorno controlado (cámara anecoica). Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación Universidad Politécnica de Cartagena
Databáze: OpenAIRE
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