Uso de radio mobile para el calculo de coberturas radio en dispositivos de comunicacion inalambrica

Uso de Radio Mobile para el Cálculo de Coberturas Radio en Dispositivos de Comunicación Inalámbrica

Dr. José Manuel Rodríguez Ascariz

Marzo 2009

Máster Oficial en Sistemas Electrónicos Avanzados. Sistemas Inteligentes

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INTRODUCCION Una de las bandas ISM (industrial, scientific and medical) utilizadas en Europa es la de 433 MHz. Existen diversos circuitos integrados y módulos que operan en esta banda de radio. Muchos de estos circuitos integrados pueden trabajar en 315 MHz, 433 MHz, 868 MHz (en función de los componentes pasivos conectados externamente).

En esta práctica se utiliza el CC1100 de Texas Instruments. Este integrado se caracteriza por: -

Frecuencia portadora: 315/433/868/915 MHz Potencia de transmisión: -30 dBm .. +10 dBm Sensitividad: hasta -110 dBm Régimen binario: 1.2 .. 500 kbps Modulación: ASK, OOK, FSK, MSK

Además incluye una serie de funcionalidades que resultan muy interesantes a la hora de aprender y aclarar conceptos básicos en comunicaciones digitales (RSSI, CRC, Interleaving, sync words, filtrado de recepción programable, codificación convolucional, Viterbi, ramping del amplificador de salida).

Las aplicaciones de este chip son diversas: mandos a distancia, domótica, redes de sensores sin hilos, comunicaciones en distancias cortas (hasta 300 m) en visión directa, etc.

No obstante, se puede utilizar para comunicaciones a distancias más largas (algunos kilómetros) en función de los emplazamientos de los dispositivos y de las ganancias de las antenas.

Por supuesto siempre es posible añadir un amplificador de potencia para conseguir potencias de salida de hasta 23 dBm (esto necesita un transformador balun y un swith de antena).

Antes de comenzar con el CC1100, se trabajará con un software que ayuda a la evaluación de la propagación de señales de radio. Este software (RadioMobile), por tanto, es capaz de evaluar zonas de cobertura y viabilidad de enlace radio entre dos estaciones que van a ser comunicadas.

Se verá como con RadioMobile se obtienen resultados para el CC1100 que predicen distancias de comunicación de hasta 3 km (con determinadas condiciones de terreno, altura y ganancia de antenas, etc.).

Para otras tecnologías (Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee) es igualmente posible el uso de todo lo que se va a presentar en esta práctica.

http://www.depeca.uah.es/personal/jmra/RadioMobileJmra.pdf

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RADIO MOBILE Se trata de un software libre que ayuda al cálculo de radioenlaces y coberturas de estaciones de radio. Se puede obtener en http://www.cplus.org/rmw.

El modelo de propagación (ITM/Longley-Rice model) implementado por RadioMobile es válido para el rango 20 MHz .. 20 GHz. Más información sobre dicho modelo en http://flattop.its.bldrdoc.gov/itm.html.

Ejemplo de utilización de Radio Mobile Crear una nueva red. Configurar parámetros, topología, miembros de la red, etc.

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Configurar las opciones de Internet para descargar datos de altura (SRTM):

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Configurar las propiedades del mapa. Asignar longitud y latitud, tamaño en pixels del mapa, anchura y altura del mapa:

El resultado es una gráfica 2D con curvas de nivel en función del relieve del terreno:

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Una vez que se tienen las unidades (configuradas en la red) y el mapa, habrá que emplazar dichas unidades, para ello hay varias opciones: en coordenadas definidas, en la posición del cursor de RadioMobile o buscar emplazamientos en areas determinadas:

Para buscar el mejor emplazamiento (normalmente la cota más alta) en un área determinada, seleccionar un área y buscar la altura máxima. Para emplazar en ese lugar una unidad, ir a las propiedades de las unidades y place unit at cursor position.

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Enlaces de radio A veces interesa representar radiales y anillos concĂŠntricos a partir de una unidad (ver figura anterior). En el siguiente ejemplo se ven estos anillos y radiales centrados en la unidad Hh, trazados cada 500 m hasta una distancia mĂĄxima de 5 km.

Otra vista normalmente deseada es la zona de cobertura de una determinada unidad:

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Una vez situadas las unidades lo normal es comprobar la viabilidad (perfil, perdidas de propagaci贸n, potencia recibida, etc.) de los enlaces de radio:

Existe un programa auxiliar (Rmpath) que permite ver este enlace con detalles espaciales:

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GPS para posicionar unidades Una característica muy interesante de RadioMobile es la posibilidad de utilizar un GPS para posicionar las unidades. Con un PC portátil y un GPS (protocolo NMEA-0183, 4800 bps) se pueden “patear” las zonas en donde se desea ubicar las diferentes unidades. En la red que se ha creado para este ejemplo, la Unit-7 es un automóvil con un portátil y un GPS oem.

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Añadir datos toponímicos a un mapa de RadioMobile El mapa físico (relieve 2D) no resulta muy orientativo desde el punto de vista de orientación práctica. Para superponer un mapa político se dispone de varias opciones. Lo más común es descargar cartografía desde servidores de Internet tales como MapPoint de Microsoft o MapQuest.

Con GoogleMap es posible descargar ortofotos.

Para poder descargar de los servidores mencionados es necesario editar el fichero Map_link.txt y permitir el acceso a los mismos (eliminar ‘ del cominezo de cada línea):

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También se pueden descargar imágenes del SIGPAC (http://sigpac.mapa.es/fega/visor/) La utilidad jSIGPAC (http://www32.websamba.com/jrariasf/jSIGPAC/sigpac.html) permite la descarga y ensamblado de múltiples páginas del SIGPAC. En la siguiente imagen se ve la generación de una imagen a la que se ha llamado “wgs84”:

Esto genera una imagen (wgs84.jpg*) y un mapa calibrado para OziExplorer (wgs84.map*). Para incluir en RadioMobile esta imagen y las coordenadas geográficas se abre una nueva imagen: *En este ejemplo se ha llamado a los ficheros wgs84. No tiene nada que ver con la proyección wgs84.

Se crea un fichero wgs84.dat con el siguiente contenido (coordenadas geográficas de la figura):

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Las coordenadas anteriores se obtienen del wgs84.map generado por jSIGPAC. El resultado es (las líneas verdes son los enlaces entre antenas de RadioMobile):

Se puede ver en 3D pulsando en New picture.

En caso de obtener solo el relieve en 3D, sin la ortofoto de SIGPAC superpuesta al mapa físico, volver a hacer un merge del relieve con la ortofoto:

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El resultado es el siguiente:

La siguiente figura muestra el mapa en 3D superpuesto por la cobertura de Hh:

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RadioMobile y GoogleEarth Es posible importar datos de unidades desde ficheros .kml . Por ejemplo para utilizar las mismas unidades en diferentes proyectos de redes o para recuperar coordenadas obtenidas con un GPS. A día de hoy las ortofotos de Google todavía no alcanzan la escala de SIGPAC (1:2000) y en ese sentido resulta menos atractivo.

Los ficheros .kml pueden ser leídos por GoogleEarth:

Los resultados son exactos (han sido tomados con GPS en marzo 2008).

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GoogleEarth abre nuevas posibilidades: medidas de distancias y zoom m谩s c贸modos y exportar posiciones de unidades a RadioMobile.

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Programaci贸n del CC1100 con ayuda de SmartRF

Iniciar SmartRF 04, seleccionando CC1100:

La web del CC1100: http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/cc1100.html Para obtener SmartRF: http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/smartrftm-studio.html

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Programar frecuencia (1), régimen binario (2), potencia (3), tipo de modulación (4) y ancho de banda del filtro de recepción (5). Copiar esos parámetros a la vista de registros (6). En caso de estar conectado a la tarjeta de evaluación de TI, ejecutar Reset CC1100 and write settings.

Para programar con más detalle ciertos registros, como por ejemplo la corrección de errores (FEC) o el whitening, acceder a la vista detallada de registros.

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Programar las parámetros de los paquetes de TX y RX (longitud, sync Word, address, preamble, número de paquetes). Recordar (ver CC1100 data sheet) que el formato de paquete es:

En donde: - Preamble: puede es un valor entre 2 y 24 bytes y se utiliza para la adquisición y sincronización de portadora. El receptor puede “engancharse” en cualquier parte del preamble, no tiene por que “enterarse” desde el principio del preamble. Su valor es 01010101010 …

- Sync Word: puede ser 16 o 32 bits (registros SYNC1 y SYNC0). Se utiliza para la sincronización de mensaje.

- Longitud de mensaje: puede ser un valor entre 2 y 61 bytes (las FIFOs de TX y RX son de 64 bytes). En TX se pueden enviar 61 bytes como máximo. A esos 61 bytes se añade en recepción la longitud del mensaje, el RSSI y el CRC/LQI, lo que completa los 64 byte de cabida de FIFO. - Address field: dirección (opcional) del RX con el que se desea comunicar. El valor 0xFF corresponde a broadcast.

- Data field: es el payload deseado.

- CRC-16: código de redundancia para chequeo de integridad de mensaje.

Una vez programados todos los registros se descargan esos valores al CC1100. En el caso de estar trabajando con la tarjeta de evaluación se descarga directamente con la opción Reset CC1100 and write settings. Para el caso genérico se exportan los resultados File -> Export CC1100 registers a un fichero que servirá para rellenar un array de 47 bytes utilizado para programar el CC1100. //Tabla de configuración del CC1100 obtenida con SmartRF: 1.2 kbps, FSK, filt_rx=58 kHz unsigned char Tabla_Config_CC100[47]= {0x29,0x2E,0x06,0x07,0xD3,0x91,0xFF,0x04, 0x05,0x00,0x00,0x06,0x00,0x10,0xA7,0x62, 0xF5,0x83,0x03,0x22,0xF8,0x15,0x07,0x30, 0x18,0x16,0x6C,0x03,0x40,0x91,0x87,0x6B, 0xF8,0x56,0x10,0xE9,0x2A,0x00,0x1F,0x41, 0x00,0x59,0x7F,0x3F,0x81,0x35,0x09};

La interfaz del CC1100 es un bus SPI. El siguiente ejemplo inicializa dicho chip a partir de la tabla anterior: unsigned char Config_Burst_CC100(void) { unsigned char i=0; //Reset Chip SPI_CS_LOW; // SPI Chip select = LOW Leer_Escribir_SPI(CC1100_WRITE|0x30);// Reset CC1100 (pag. 60 data sheet) SPI_CS_HIGH; // SPI Chip select = HIGH delay(10000); //Comenzamos la escritura Burst (enviar primero un 0x40: pag. 63 datasheet) SPI_CS_LOW; Leer_Escribir_SPI(0x40); // SPI Address Space en modo Burst for(i=0;i<47;i++) Leer_Escribir_SPI(Tabla_Config_CC1100[i]); SPI_CS_HIGH; //Vaciar FIFO de Rx antes de recibir nada SPI_CS_LOW; Leer_Escribir_SPI(CC1100_WRITE|0x3A); // SFRX CC1100 (pag. 60 data sheet)

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SPI_CS_HIGH; return 1; }

La subrutina Leer_Escribir_SPI es específica para cada microcontrolador o master SPI que se utilice para controlar al CC1100. En esta práctica se utiliza un LPC2129 (ARM7 @ 60 MHz de NXP). La subrutina básica de transmisión es como sigue: unsigned char Tx_Radio(char *Dato,unsigned size) { unsigned char i=0,temp=0; //El primer byte indicará la longitud del paquete que queremos transmitir SPI_CS_LOW; Leer_Escribir_SPI(WRITE|0x3F); // TXFIFO Leer_Escribir_SPI(size); SPI_CS_HIGH; //Escribir los bytes que queremos transmitir for(i=0;i<size;i++) { SPI_CS_LOW; Leer_Escribir_SPI(CC1100_WRITE|0x3F);// TXFIFO, single access Leer_Escribir_SPI(Dato[i]); SPI_CS_HIGH; } //Entrar en el modo tx SPI_CS_LOW; Leer_Escribir_SPI(CC1100_WRITE|0x35); SPI_CS_HIGH;

// STX (pag. 60 datasheet)

// El pin GDO2, que indica el estado de la FIFO, conectado al pin P0.8 del LPC2129 while((IO0PIN & (1<<10)) != (1<<10)); // Ha comenzado la transmisión del mensaje while( IO0PIN & (1<<10)); // Ha finalizado la transmisión del mensaje //Volver al modo IDLE SPI_CS_LOW; Leer_Escribir_SPI(CC1100_WRITE|0x36); SPI_CS_HIGH;

// SIDLE

return 1; }

Para recibir: … …

SPI_CS_LOW; Leer_Escribir_SPI(WRITE|0x34); SPI_CS_HIGH; //Comprobamos si se ha recibido algún paquete SPI_CS_LOW; numBytesRx=Leer_Escribir_SPI(CC1100_READ|0x3F); SPI_CS_HIGH;

// Realmente se saca del Status Byte

if((numBytesRx &0x0F) > 0){ SPI_CS_LOW; numBytesRx=Leer_Escribir_SPI(CC1100_READ|0x3D); // SNOP para leer status byte numBytesRx &= 0xF; // Bits[3..0] son de longitud de RXFIFO SPI_CS_HIGH; for(k=0;k<numBytesRx;k++) { SPI_CS_LOW; Leer_Escribir_SPI(CC1100_READ|0x3F); // Leer FIFO RX en modo single Dato_Leido[k++]=Leer_Escribir_SPI(0); SPI_CS_HIGH; } } … …

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Prueba práctica de enlace entre dos CC1100. Estación móvil en {42º58’39’’ N , 7º44’35’’ W}, con transmisor en EstBase {42º57’33’’ N , 7º44’43’’ W}. Distancia 2.04 km, Ptx= +10 dBm, 100 kbps, MSK. Altura antenas: 3 y 6 m.

He aquí el resultado del cálculo con RadioMobile para ese mismo enlace:

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Cuidado con los estadísticos; la misma figura anterior (Network Parameters: Mobile, 50% of time, 50% of situations) se transforma en (Network Parameters: Mobile, 80% of time, 80% of situations):

EJERCICIO 1. Utilizando las tarjetas de evaluación de Texas Instruments.

Con Ptx = -30 dBm, regimen binario = 500 kbps, 4 bytes preamble: - Elaborar la curva de error de datos recibidos en función de la distancia.

- Idem para la potencia recibida.

- Repetir la curva de error con FEC habilitada.

Entre dos laboratorios (L8 y L10), con dos paredes en medio: - Elaborar la curva de errores en función de las potencias de señal disponibles en SmartRF (-30 dbm .. +10 dBm) para 1.2 kbps, 100 kbps y 500 kbps. Con FEC deshabilitada.

- Indicar las potencias recibidas y comparar la atenuación.

EJERCICIO 2. Utilizando las tarjetas de evaluación de Texas Instruments y la tarjeta Depeca_LPC2129_CC1100.

En el laboratorio L8 se programan 4 CC1100 en los canales 0,1,2,3. Con -20 dBm de Ptx, 1.2 kbps, FSK. Los 4 transmiten el mensaje “0123”, 4 bytes de preamble y en broadcast. Cada transmisor está situado en una esquina del laboratorio.

Programar la tarjeta Depeca_LPC2129_CC1100 para recibir secuencialmente los 4 canales y estimar, en función de la potencia recibida, la posición del receptor. Aunque no se dan condiciones de campo lejano y ausencia de obstáculos, la atenuación esperada se puede aproximar por:

(dB) = K + 20 log10(4  d / ) EJERCICIO 3. (opcional, deseable). Evaluar la distancia de enlace fiable entre dos CC1100, con régimen binario = 10 kbps, en condiciones de espacio libre (área rural sin obstáculos: entre el edificio politécnico y la zona norte –sembrados). Comprobar que se pueden alcanzar cerca de los 2 km (con 10 dBm de TX y altura de antenas > 5m).

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