Los 433 MHz y el software libre. Parte 2.

viernes, 21 de julio de 2017

Las bandas ISM
El UTI-R define varias bandas de frecuencias para usos no comerciales, conocidas como bandas ISM por la siglas en inglés de “Industrial, Científico y Médico”, con fines industriales, científicos, médicos, domésticos o similares, las cuales no requieren de una licencia para su uso, denominándose “sin licencia” o en inglés “license-free”; lo que no significa que se puedan utilizar libremente, ya que siguen estando fuertemente regladas, tanto a nivel técnico, como en sus condiciones de uso.

Principales bandas ISM reguladas internacionalmente

De forma adicional a las bandas ISM, y a instancias del UTI-R, los organismos reguladores definen muchas otras bandas de frecuencias para otros usos “no licenciados”, como por ejemplo:
  • Banda PMR446, (446 MHz) regulada por el ETSI para el uso de intercomunicadores de mano (walkies) en el territorio Europeo (CEPT).
  • Banda FSR (462 MHz y 467 MHz) regulada por la FCC para el uso de intercomunicadores de mano (walkies) en EEUU.
  • Banda LDP433 (433 Mhz) regulada por el ETSI para el uso de intercomunicadores de baja potencia en el territorio Europeo (CEPT).
  • Banda CB (27 MHz) o “Banda Ciudadana”, que aunque regulada nacionalmente, su aceptación es prácticamente global.
  • Bandas U-NII (5 GHz) “Unlicensed National Information Infrastructure”, regulada por la FCC para su uso en redes digitales de nueva generación en EEUU.
Cabe destacar que la regulación de uso de estas bandas sin licencia, no implica que estén reservadas de forma exclusiva, ya que en la mayoría de los casos estas bandas se comparten, total o parcialmente, con otros usos, como por ejemplo: radiolocalización, radiobúsqueda, radiobalizas, telemandos, etc., y de forma muy recurrente, con las bandas atribuidas a los “radioaficionados licenciados”.

Bandas atribuidas a Radioaficionados

El UTI-R designa un generoso número de bandas de frecuencia para su uso por parte del colectivo de radioaficionados, los cuales deben de estar en posesión de una licencia que les acredita como tales.

En los primeros años del siglo XX, los aficionados a las comunicaciones a través de la radiofrecuencia, recién descubierta por aquel entonces, crecieron rápidamente al mismo ritmo que la propia tecnología que utilizaban, en muchas ocasiones gracias a sus experimentos e investigaciones.

Se organizan en asociaciones nacionales reunidas bajo la “La Unión Internacional de RadioaficionadosIARU, por sus siglas inglés, emitiendo su propia reglamentación y planificación de uso dentro de las bandas atribuidas.

Las bandas de radioaficionados cubren todos los segmentos del espectro radioeléctrico, ya que cada segmento posee unas características de propagación y uso particulares, que dependen de diferentes factores atmosféricos y climatológicos. Se identifican por su longitud de onda, de forma preferente al rango de frecuencias o frecuencia central que ocupan.

Análogamente a las bandas ISM, las bandas de radioaficionados no están reservadas en exclusiva, compartiendo su utilización en muchas ocasiones, por lo que no deben causar interferencias perjudiciales en otros usos, ni reclamar protección frente a la interferencia procedente de ellos. De hecho, para el caso particular de compartición con bandas ISM, el UTI-R indica específicamente que deben aceptar la interferencia perjudicial resultante de estas aplicaciones.

La banda ISM de 2.4GHz es, sin lugar a dudas, la que soporta un uso más intensivo, ya que es utilizada en diferentes estándares de redes Wi-Fi (IEEE 802.11b/g/n) y Bluetooth, (IEEE 802.15.1), llegando en muchas ocasiones a su completa saturación. Situación que está provocando una progresiva migración a otras bandas ISM: la de 5GHz para las redes Wi-Fi (IEEE 802.11ac) y las bandas Sub-GHz para las aplicaciones y redes LPWAN del ecosistema IoT como Sigfox, LoRaWan, Dash7, Z-Wave, Neul, etc., no sin dificultades en este último caso.

Uno de los mayores problemas está originado por la diferencia en las regulaciones de la banda ISM justo por debajo del Gigahercio:

  • Banda ISM 902 – 928 MHz regulada por la FCC para EEUU.
  • Banda ISM 868 – 869 MHz regulada por el ETSI para Europa (CEPT Countries).
Por este motivo, muchos de los nuevos estándares tienen a soportar diferentes bandas ISM, como es el caso de Zigbee (IEEE 802.15.4), que pese a soportar estas dos bandas, su uso generalizado está en la banda ISM de 2.4GHz por la globalidad que esta proporciona.

Banda ISM de 433 MHz
La banda ISM de 433MHz, cohabita en la banda UHF de 70cm de radioaficionados, la cual en España está limitada por el CNAP, al rango de frecuencias comprendido entre 430 MHz y 440 MHz.

Asignación de usos entorno a la banda UHF de 70 cm de radioaficionados en España

El ancho de la banda ISM de 433 MHz es, en oposición al termino que lo define, relativamente estrecho, únicamente 1750 KHz, comprendidos entre 433,050 MHz y 434,790 MHz. Siendo la máxima potencia radiada aparente (PRA) permitida de tan solo 100 mW (milivatios), contrastando con los hasta 1000 W (vatios) de potencia isotrópica radiada equivalente (PIRE), a los que pueden llegar los radioaficionados en algunos casos (cien mil veces más).

En determinadas ocasiones podemos encontrar analogías y paralelismos entre los sistemas de 433 MHz y los de 315 MHz, esto es debido a que Japón y otros países asiáticos han regulado la banda ISM equivalente a 433 MHz en la frecuencia de 315 MHz, permitiendo a su vez una cierta compatibilidad con las regulaciones de la FCC en EEUU.

La infinidad de aplicaciones que hacen uso de la banda ISM de 433 MHz puede dividirse en dos grandes grupos en función del tipo de modulación que utilicen: AM o FM; generalmente en modos de codificación digital.

Modulación AM/FM
Recientemente se está popularizando la utilización de modos digitales derivados de la modulación de frecuencia (FM): FSK, PSK, GFSK, MSK o GMFK, junto al patentado LoRa, en gran parte gracias a la disponibilidad de módulos económicos, como la serie RFM de HopeRF.


Módulos de radiofrecuencia a 433MHz con modulación FM

El proyecto “Moteino” fue pionero integrando estos módulos junto con Arduino, le siguió Adafruit, y con la irrupción de LoRaWan ha aparecido un gran número de adaptaciones compatibles tanto con Arduino como con Raspberry PI. Otro uso muy generalizado de estas modulaciones en la banda ISM de 433 MHz lo encontramos en los sistemas de telemetría para drones y otros vehículos de aeromodelismo.

Aunque el uso tradicional de la banda ISM de 433 MHz, y por ende el más extendido, es en modulación de amplitud de onda (AM), y concretamente en el modo de más sencillo de codificación digital binaria “OOK” (On-Off Keying), por desplazamiento de amplitud “ASK” (Amplitude Shift Keying).

Ejemplos de modulación: de amplitus, de frecuencia y de fase

La facilidad con la que puede implementarse la modulación digital ASK/OOK, tanto en emisores como en receptores, ha hecho que sea profusamente utilizada en todo tipo de dispositivos domóticos domésticos de uso cotidiano, como telemandos de automóviles, de puertas de garaje, en la automatización de toldos y persianas, estaciones meteorológicas, detectores de humo y gases, sensores de alarmas para puertas, ventanas o de movimiento, interruptores de luces y pequeños electrodomésticos, dimmers, termostatos, timbres, medidores de consumo eléctrico, etc. la lista es interminable.
Dispositivos de radiofrecuencia a 422MHz AM (ASK/OOK)

No obstante, cada fabricante ha desarrollado su propio protocolo de codificación, por lo que aunque la frecuencia de trabajo sea la misma o muy similar, varían el número y la duración de los pulsos OOK, así como su significado, por lo que la compatibilidad entre dispositivos de diferentes fabricantes es prácticamente inexistente, y en ocasiones, incluso tratándose del mismo fabricante.

Pese a que hay algunos protocolos relativamente estándar y documentados, la mayoría de los fabricantes guardan con recelo los detalles de implementación de sus protocolos, especialmente cuando incorporan mecanismos de seguridad como algoritmos de cifrado o rolling-code.

Por este motivo, la implementación hardware en emisores y receptores de radiofrecuencia suele incluir únicamente el modulador o demodulador ASK/OOK con entrada o salida binaria, estando la lógica del protocolo de codificación implementa por software en un microcontrolador u otro elemento similar.

Gracias a esta particularidad, hay disponibles una gran cantidad de módulos emisores y receptores AM (ASK/OOK) para la banda ISM de 433MHz, de bajo coste y elevada facilidad de integración con cualquier plataforma de desarrollo, como Arduino o Raspberry PI.

Módulos genéricos de RF 433MHz AM (ASK/OOK)

Los módulos más accesibles de origen chino rondan poco más de un Euro; los hay de muchos tipos, cada uno con sus peculiaridades. Normalmente se encuentran en parejas de emisor y receptor, aunque todos son compatibles entre si. El más popular es el par XD-FST FS1000A, pero su receptor es muy ruidoso; por más o menos el mismo precio, el receptor RXB6 ofrece unas prestaciones muy superiores, aunque todavía lejos de fabricantes europeos como Aurel, que incluso dispone de un dispositivo que integra emisor y receptor en un mismo módulo; muy utilizado en sistemas comerciales por usar una única antena para la emisión y recepción, aunque requiere de electrónica adicional para gestionar esta conmutación, y consecuentemente su coste es más elevado.

Codificación
Existen varios protocolos que por su sencillez y para facilitar su integración en aplicaciones de escasa criticidad, se implementan por hardware en un chip específico que realiza las tareas de codificación y descodificación; como por ejemplo estas parejas de emisor/receptor:

  • HX2262 / HX2272 - PT2262 / PT2272 - SC5262 / SC5272 (compatibles entre si)
  • EV1527 / RT1527 - FP1527 / HS1527 (compatibles entre si)
Los conjuntos emisor/receptor que utilizan estos protocolos implementados en hardware siempre vienen emparejados para garantizar su correcto funcionamiento de forma prácticamente autónoma, sin que sea necesario ningún elemento adicional.

Módulos de RF 433MHz AM (ASK/OOK) con protocolo codificado por hardware

Salvo estas excepciones y alguna otra como X10, donde el protocolo de codificación está perfectamente documentado, la inmensa mayoría de la información disponible sobre los cientos de protocolos existentes ha sido obtenida mediante técnicas de ingeniería inversa por una nutrida comunidad de investigadores, los cuales, en la mayoría de los casos hacen públicos sus descubrimientos, y comparten bajo diferentes licencias de Software Libre y Código Abierto, su implementación por software.

La nomenclatura de los protocolos no está regida en modo alguno, por lo que podemos encontrar diferentes nombres para identificar un mismo protocolo, según la implementación, librería o software que estemos utilizando. Por ejemplo; “Nexa”, “Proove”, “Anslut”, e incluso “HomeEasy”, son sinónimos del mismo protocolo.

Jorge Rivera
CSA Global de ElevenPaths

No hay comentarios:

Publicar un comentario