Introducción

Las redes de sensores inalámbricos (WSN) se han convertido en indispensables para el monitoreo ambiental, permitiendo la recopilación de datos críticos como temperatura, humedad, calidad del aire, contaminación del agua y actividad de vida silvestre. Estas redes suelen funcionar en lugares remotos, desafiantes o inaccesibles donde la infraestructura cableada es poco práctica. Sin embargo, la naturaleza misma de la vigilancia ambiental introduce importantes desafíos de comunicación: atenuación de señales debido al follaje o al terreno, interferencia de equipos industriales u otros sistemas de espectros sólidos

Comprensión de la tecnología de espectro

Origen y evolución

El espectro de comunicación de espectros de difusión rastrea sus raíces a principios de los años 40, cuando la actriz Hedy Lamarr y compositor George Antheil patentaron un sistema de frecuencias para torpedos guiados por radio. Su invención tiene por objeto prevenir la interferencia cambiando rápidamente la frecuencia de portador según un patrón predeterminado, un concepto más tarde conocido como el espectro de transmisión de frecuencias (FHSS).

Principios básicos

La idea fundamental detrás del espectro de propagación es simple: en lugar de concentrar toda la energía transmitida dentro de un canal de frecuencia estrecha, la señal se propaga deliberadamente sobre un ancho de banda mucho más amplio. Esta difusión se logra normalmente modificando la señal de datos con una secuencia de ruido de pseudoranda (PN) conocida por el transmisor y el receptor.

Tipos de esparcir especiado

Espectro de esparcimiento directo de secuencia (DSSS)

En DSSS, el flujo de datos se combina (típicamente a través de XOR) con una secuencia de código PN de alta frecuencia. Por ejemplo, cada bit de datos puede ser reemplazado por una secuencia de chip de 11 o más bits. La señal resultante ocupa un ancho de banda proporcional a la tasa de chips en lugar de la tasa de datos.

Frecuencia de espiga de espiga espiga (FHSS)

FHSS cambia rápidamente la frecuencia de la compañía entre un conjunto de canales según una secuencia de saltos de pseudoarborrecimiento conocida por el transmisor y receptor. El tiempo de permanencia en cada canal es normalmente corto (resultado 400 ms). Bluetooth, por ejemplo, salta entre 79 canales a una velocidad de 1600 tubos por segundo. FHSS es particularmente eficaz en entornos con fuerte interferencia de frecuencia fija, asigna un canal de bloqueo, el sistema simplemente a diferentes saltos

Esparcimiento de tiempo espectro (THSS)

Menos común pero todavía relevante para ciertos escenarios de red de sensores, THSS transmite datos en cortos períodos de pseudoarrebación. El tiempo de estas ráfagas está determinado por un código PN. Combinado con técnicas de banda ultra-ancha (UWB), THSS puede alcanzar una densidad de potencia muy baja y resolución de alta gama, que es ventajosa para la localización de precisión en monitoreo ambiental, como el seguimiento de movimiento de vida silvestre o la detección de las redes de tierra.

Beneficios del espectro de espionaje en redes de sensores inalámbricos

Resistencia a la interferencia y Robustness

El monitoreo ambiental suele colocar sensores cerca de fuentes de interferencia electromagnética: motores, bombas, líneas de energía u otros transmisores inalámbricos (por ejemplo, routers Wi-Fi, estaciones de base celulares). La inmunidad inherente del espectro de propagación a la interferencia de banda estrecha asegura una transmisión de datos confiable bajo tales condiciones. El beneficio de procesamiento de DSSS puede ser tan alto como 20-30 dB, lo que significa que una señal de interferencia debe ser resistente a largo plazo.

Seguridad y Privacidad mejoradas

Los datos ambientales pueden ser sensibles: lecturas de contaminación que podrían implicar una fábrica, lugares animales que podrían ser utilizados por cazadores de furgón, o datos climáticos que tengan valor de propiedad intelectual. El espectro de espigas proporciona una primera capa de seguridad haciendo que las señales sean difíciles de interceptar sin conocer el código PN. Mientras que no un sustituto de la encriptación, aumenta la barrera contra el bloqueo ocasional. Además, la baja probabilidad de detección (LPD) caracteriza a la red de búsqueda de enemigos

Capacidades de acceso múltiple

Las NM para el monitoreo ambiental pueden abarcar cientos o miles de nodos. Las técnicas de espectro de espiga facilitan el acceso múltiple sin la división del tiempo (TDMA) o la complejidad de la división de frecuencias (FDMA) en un contexto de banda estrecha. En DSSS, el acceso múltiple de código-división (CDMA) asigna códigos PN distintos a cada nodo – o grupos de nodos – para que puedan transmitir simultáneamente en la misma secuencia de secuencia de colopción.

Eficiencia de energía y vida de batería

Se puede pensar intuitivamente que la difusión de una señal a través de un ancho de banda más amplio consumiría más potencia. En la práctica, el espectro de propagación puede reducir los requisitos de potencia porque permite una relación de señal a ruido más baja (SNR) en el receptor. La ganancia de procesamiento amplifica eficazmente la señal deseada relativa al ruido.

Aplicaciones en la vigilancia ambiental

Vigilancia de la calidad del aire

Las redes de calidad del aire urbano requieren una comunicación fiable en medio de la cacofonía de frecuencia radio de la vida urbana. Los sensores de espectro de propagación de las estaciones de servicio de medición PM2.5, ozono, NO2, y CO2 pueden desactivar sus datos a través de una red de receptores incluso cuando se encuentran cerca de puntos de contacto o torres celulares. Por ejemplo, la iniciativa OpenAQ

Detección de calidad y contaminación del agua

Los sensores desplegados en ríos, lagos o zonas costeras a menudo se enfrentan a desafíos de atenuación del agua y reflexiones multipáticas. La capacidad del espectro de propagación para manejar el multipático lo hace adecuado para entornos acuáticos. Los módems acústicos basados en FHSS se utilizan a veces para redes de sensores submarinos, aunque el espectro de frecuencia radio se limita a boyas superficiales o aguas poco profundas.

Seguimiento de la fauna y el hábitat

La tecnología de espectro de propagación es ideal para rastrear animales porque minimiza la interferencia de obstrucción natural y otros transmisores de fauna silvestre. Los collares y etiquetas que usan FHSS (similar a Bluetooth Low Energy) pueden registrar la posición y el comportamiento mientras informan periódicamente a receptores fijos.El proyecto Movebankubicación] y muchos estudios ecológicos dependen de tales enlaces de espectro de baja potencia.

Detección de incendios forestales

La detección temprana de incendios forestales exige una red de sensores que puede operar durante meses en terrenos remotos y cubiertos por árboles. La resistencia del espectro de propagación a la atenuación del follaje, causada por hojas y ramas de las señales de dispersión, es una ventaja importante. Sistemas como FireWatch utilizan radios de espectro de dispersión en una topología de malla para relatar los datos de la temperatura, la humedad y los sensores de las comunicaciones.

Agricultura de precisión

Las granjas modernas emplean redes de sensores inalámbricos para monitorear la humedad del suelo, los niveles de nutrientes y los microclimas. El espectro de propagación permite una comunicación fiable en grandes campos con tuberías de riego metálicas, bombas y otras máquinas.Por ejemplo, un sistema basado en DSSS de Decagon Devices] (ahora parte del grupo METER) transmite datos de interferencia del suelo desde sensores enterrados a un sistema de transmisión de GPS.

Retos y compensaciones

Complejidad en la aplicación

Los circuitos de espectro de propagación requieren un procesamiento de señales más sofisticado que las alternativas de banda angosta. La necesidad de generación de código PN, sincronización precisa y desprosección aumenta el área de silicio y el costo de energía. Sin embargo, los transceptores integrados modernos han mitigado en gran medida estos problemas: muchas radios de un solo chip integran el hardware de espectro de propagación con bajo consumo de energía.

Consideraciones de ancho de banda y regulación

El espectro de propagación, por definición, consume más ancho de banda que el equivalente de datos mediante modulación de banda estrecha. En bandas ISM concurridas (2.4 GHz, 868/915 MHz), esto puede llevar a la discusión con otros sistemas de espectro de distribución. Las regulaciones del ciclo de deber (por ejemplo, ETSI EN 300, FCC Parte 15 en los EE.UU.) también limitan la duración de transmisión, que limita la velocidad de frecuencias y la capacidad de distribución.

Sincronización y bloqueo de la drifa

Los sistemas de espectro de propagación dependen de un tiempo preciso para generar y combinar secuencias de PN. El bloqueo de la deriva entre los nodos de sensores, especialmente durante largos períodos a temperaturas variables, puede degradar el rendimiento. FHSS requiere que tanto transmisores como receptores de manguera sincronía, cualquier deriva puede causar aletas perdidas y pérdida de paquetes.

Coexistencia con otros sistemas inalámbricos

Con la proliferación de dispositivos IoT, el mismo espectro puede ser compartido por sistemas de espectro de transmisión Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee y patentado. Mientras que el espectro de propagación está diseñado para ser robusto para la interferencia, la ubicación de densa puede degradar aún la entrada. Los dispositivos de frecuencia adaptativa (AFH) en Bluetooth y selección de canales dinámicos en ZigBee son soluciones parciales.

Espectro de radio cognitivo y esparcido adaptativo

La tecnología de radio cognitiva permite que un dispositivo inalámbrico sienta su entorno de espectro y ajuste dinámicamente sus parámetros de transmisión, incluyendo el factor de difusión, ancho de banda y patrones de acaparamiento, para evitar interferencias y optimizar el rendimiento. Este concepto se extiende a redes de sensores de espectro extendido.Los investigadores están desarrollando espectro de propagación cognitiva] protocolos que aprenden patrones de interferencia y se adaptan en tiempo real.

Integración con 5G y LPWAN

El sistema de transmisión de datos de 5G define una mayor comunicación tipo máquina (eMTC) y una amplia gama de IoT (mMTC) que aprovechan las técnicas de espectro de espectro de distribución.

Energía de cosecha y ultra-bajo diseño de energía

Para lograr redes de sensores verdaderamente autónomas, los investigadores están combinando espectro de propagación con tecnologías de recolección de energía. Por ejemplo, un nodo de sensores impulsado por energía solar utilizando un transceptor FHSS puede funcionar indefinidamente mientras consume solamente microvatios durante períodos de ocio. Nuevos diseños de circuitos aprovechan los osciladores de submuestra o de bloqueo de inyección para reducir la energía por poco debajo de 1 nJ. Estos avances permitirán un seguimiento denso y largos

Conclusión

La tecnología de espectro de difusión ha demostrado ser un potente habilitador para redes de sensores inalámbricos desplegadas en monitoreo ambiental. Al ofrecer un rechazo robusto de interferencia, seguridad inherente, acceso múltiple eficiente y menor consumo de energía, aborda muchos de los desafíos de comunicación únicos planteados por entornos remotos y ruidosos. Desde el seguimiento de las aves migratorias hasta la medición de la calidad del aire en ciudades densas, las WSNs de espectro de difusión ya están proporcionando datos valiosos que informan sobre políticas y conservación.

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