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ESCUELATÉCNICASUPERIORDEINGENIERÍAYSISTEMASDE

TELECOMUNICACIÓN

PROYECTOFINDEGRADOTÍTULO:Diseñodeunsistemaautónomodealarmadebajocoste

paraladeteccióndetransmisionesnodeseadasenlabandade700MHz

AUTOR:VandenbrouckePriego,Gabriel

TITULACIÓN:GradoenIngenieríadeSistemasdeTelecomunicación

TUTOR:MorenoGarcía-Loygorri,Juan

DEPARTAMENTO:TeoríadelaSeñalyComunicaciones

VºBº

MiembrosdelTribunalCalificador:PRESIDENTE:RedondoHidalgo,AntonioTUTOR:MorenoGarcía-Loygorri,JuanSECRETARIO:BrisoRodríguez,CesarFechadelectura:18deJuliode2017

Calificación:

ElSecretario,

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Agradecimientos

Dar lasgraciasalprofesor JuanMorenopordarme laoportunidaddedesarrollaresteproyectodefindegradotaninteresante,conelqueheaprendidocontinuamentecosas nuevas. Además, ha conseguido transmitirme ese entusiasmo por laradiofrecuenciaquehabíaperdidoenalgunasetapasdelacarrera.

Amispadres,quemehanapoyadoentodoloquemehepropuestosiempre.

Porúltimo,aLauraDePedroquemehasoportadoalolargodetodalacarrerayesperoquesigahaciéndolodurantemuchotiempomás.

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ResumenElpropósitogeneraldeesteproyectoeseldediseñarunsistemaquefuncionede

forma autónoma (modo standalone) cuyo coste sea bajo y permita detectartransmisionesindeseadasenlabandade700MHzconciertaprecisión.

Para llevar acabodichopropósito seutilizará unmicrocontroladorquemediantesoftware sea capaz de controlar un dispositivo SDR (Software-Defined Radio) paramonitorizar la banda de interés. Al estar diseñado el sistema usando un dispositivoSDR,sepodráreconfigurarelsistemaúnicamentecambiandounaseriedeparámetrospara que opere de forma diferente el receptor. Además, el sistema será capaz degenerarunaalarmacuandosedetecteunatransmisiónenlalabandamonitorizada.Eneste diseño concretamente se ha utilizado una Raspberry Pi comomicrocontroladorque será el encargado de ejecutar un programa en el lenguaje C para controlar unreceptorRTL-SDRqueestaráconectadoalmicrocontrolador.

El sistema tienevarias limitaciones tantoaniveldeRF (RadioFrequency oRadioFrecuencia),comodecapacidaddelDSP(DigitalSignalProcessoroProcesadorDigitaldeSeñales)alusarunpequeñomicrocontroladoryunreceptorradiodebajocoste.Eldiseño será testeado en entornos reales con transmisores que utilicen el estándar802.11g en la banda de 700MHz con el propósito de determinar la fiabilidad delsistema.

Sehaañadidoaldiseñounacapadecomunicaciónconunpequeñoservidoralquese enviarán las alarmas con información relevante sobre aquellas transmisionesindeseadas que se detecten para que pueda ser integrado en otros sistemas en unfuturo. Estas alarmas quedarán registradas en un archivo en este servidor, para sugestiónyanálisisposterior.

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AbstractThepurposeofthisprojectistodesignalow-coststandalonesystemabletodetect

undesiredtransmissionsinthe700MHzbandwiththerequiredaccuracy.In order to achieve this goal, a microcontroller will be used to control a SDR

(Software-Defined Radio) device for monitoring the band of interest. Because thissystemwill be designed using SDR, it will allow to reconfigure the system changingonlyafewparameters.Alsothissystemwillbeabletogeneratealarmswhenitdetectsatransmissioninthemonitoredband.Inthiscasethesystemhasbeendesignedusinga Raspberry Pi as the microcontroller to execute a program developed in C thatmanagesthereceiverthatwillbeconnectedtothedevice.

ThesystemwillhavesomelimitationsregardingRF(RadioFrequency),DSP(DigitalSignalProcessor)andCPUduetoboththelow-costmicrocontrollerandSDRhardwarethatwill be used. This designwill be tested in real environments using transmitterswhich use the 802.11g standard in the 700MHz band in order to determine thefeasibilityofthesystem.

Asimplecommunicationsprotocolhasbeenaddedtothedesigntosendalarmstoasmall server.Thesealarmswill flagrelevant informationof thedetectedundesiredtransmissionsinordertointegratethemeasilywithothersystemsinthefuture.

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Tabladecontenido

Agradecimientos..................................................................................................3

Resumen.............................................................................................................5

Abstract...............................................................................................................7

Índicedefiguras................................................................................................11

ÍndicedeTablas.................................................................................................14

ListadeAcrónimos.............................................................................................16

1. Introducción.............................................................................................20

2. Estadodelarte.........................................................................................23

3. Entorno....................................................................................................273.1. RadiodefinidaporSW....................................................................................27

3.1.1. Concepto......................................................................................................273.1.2. Historia.........................................................................................................283.1.3. Arquitecturas...............................................................................................303.1.4. Dispositivos..................................................................................................33

3.2. IEEE802.11b/g/n/ac......................................................................................343.2.1. ComponentesdeunaredIEEE802.11.........................................................353.2.2. Canales.........................................................................................................353.2.3. Detecciónderedes802.11..........................................................................36

3.3. Modelosdepropagación.................................................................................41

4. Diseñodelasolución................................................................................464.1. RTL-SDR..........................................................................................................464.2. Microcontrolador............................................................................................51

4.2.1. Arduino........................................................................................................514.2.2. RaspberryPi.................................................................................................53

4.3. Simulink/MATLAB...........................................................................................554.4. ProgramaenC................................................................................................574.5. NodeJS............................................................................................................60

4.5.1. Servidor........................................................................................................614.5.2. Cliente..........................................................................................................624.5.3. PM2..............................................................................................................62

4.6. Presupuesto....................................................................................................63

5. Validación................................................................................................665.1. Escenario1:CocheradeMetrodeMadrid.......................................................705.2. Escenario2:EstacióndeMetrodeCanal.........................................................75

6. Conclusionesylíneasfuturas....................................................................786.1. Conclusiones...................................................................................................78

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6.2. Líneasfuturas.................................................................................................79

7. Referencias..............................................................................................82

I. Anexo:Manualdeusoeinstalación.........................................................85Puestaapuntodelsistema.......................................................................................85Ejecucióndelprograma.............................................................................................86

II. Anexo:Programautilizado.......................................................................91

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ÍndicedefigurasFigura2.1:UnidadmóvilparaCTER[3]..........................................................................24

Figura2.2:InstrumentaciónauxiliarparaCTER[3]........................................................25

Figura3.1:EsquemageneralSDR[5].............................................................................27

Figura3.2:InterfazGNURadio.......................................................................................29

Figura3.3:DiagramaSDRdeprimerageneración[4]...................................................30

Figura3.4:DiagramaSDRdesegundageneración[4]...................................................31

Figura3.5:DiagramaSDRdetercerageneración[4].....................................................32

Figura3.6:Esquemaradiocognitiva[9].........................................................................32

Figura3.7:RadioUSRPSerieX[10]................................................................................33

Figura3.8:EsquemadelmodeloOSI[11]......................................................................34

Figura3.9:Esquemadered802.11[12]........................................................................35

Figura3.10:Canales802.11g[13]..................................................................................36

Figura 3.11: Espectro en la banda de 2,4GHz usando programa “Acrylic Wi-FiProfessional”..........................................................................................................36

Figura3.12:Esquemadedetecciónpasiva[12]............................................................37

Figura3.13:Esquemadetecciónactiva[12]...................................................................38

Figura3.14:Datosgeneralesdelpaquetebeacon.........................................................38

Figura3.15:Datosespecíficosdelpaquetebeacon.......................................................39

Figura3.16:Espectro802.11g[14].................................................................................40

Figura4.1:EsquemaporbloquesdelfuncionamientodeldispositivoRTL-SDR[4].......47

Figura4.2:PartesdelaradioRTL-SDR[4].....................................................................49

Figura4.3:EsquemaeléctricodelaRTL-SDR[20]..........................................................50

Figura4.4:ArduinoYun[21]..........................................................................................52

Figura4.5:RaspberryPi3modeloB[22].......................................................................54

Figura4.6:Programaparaanálisisdelabandade700MHzconelreceptorRTL-SDR...55

Figura4.7:Funcionamientodelprograma[4]...............................................................56

Figura4.8:Formaventanrectangular[25].....................................................................59

Figura4.9:Ejemplodeejecucióndelprogramartl_power............................................60

Figura4.10:Arquitecturacapadered............................................................................61

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Figura4.11:ServidorNodeJS..........................................................................................62

Figura4.12:Interfazaliniciaraplicaciónconpm2.........................................................63

Figura5.1:Radiotransmisorainstaladaenuntrendelas3000....................................66

Figura5.2:Radioinstaladaenuntrendelas3000........................................................67

Figura5.3:Antenaparacomunicacionestren-tierrainstalada......................................67

Figura5.4:Diagramasderadiacióndeantenadual.......................................................68

Figura5.5:Diagramasderadiacióndeantenade700MHz..........................................69

Figura5.6:Canalesutilizadosporlostrenesenlabandade700MHz...........................70

Figura5.7:Analizadordeespectrosutilizado................................................................71

Figura5.8:Antenaconectadaalanalizadordeespectros..............................................72

Figura5.9:Dispositivodiseñadoenescenario1............................................................73

Figura5.10:Espectroenescenario1entre685y760MHz...........................................74

Figura5.11:Espectroestacióndemetrocontrenpresente..........................................76

FiguraI.1:Esquemageneralsistema..............................................................................85

FiguraI.2:InterfazprogramafileZilla.............................................................................86

FiguraI.3:Ejemplodeejecucióndelaaplicación...........................................................87

FiguraI.4:Inicializaciónsocket.......................................................................................88

FiguraI.5:Servidordeaplicación...................................................................................89

FiguraII.1:Declaracióndevariableprincipalesdelprograma.......................................91

FiguraII.2:Configuracióndeparámetros1....................................................................92

FiguraII.3:Configuracióndeparámetros2....................................................................93

FiguraII.4:Controldeparámetros.................................................................................94

FiguraII.5:Líneasbuclewhile1......................................................................................95

FiguraII.6:Lineasbuclewhile2......................................................................................95

FiguraII.7:Declaraciónvariablesusadasenlamodificación.........................................96

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ÍndicedeTablasTabla1:ParámetrosPHYOFDMen802.11g..................................................................41

Tabla2:PrincipalescaracterísticaRTL-SDR[4][18][19]...............................................51

Tabla3:PresupuestoHW...............................................................................................63

Tabla4:PresupuestoSW................................................................................................64

Tabla5:Característicasantenadual..............................................................................68

Tabla6:Característicasdelaantenade700MHz.........................................................69

Tabla7:Resultadosdemediciónconrtl_power...........................................................75

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ListadeAcrónimos

ACK Acknowledgement

AP AccessPoint(PuntodeAcceso)

Balun Balanced-unbalancedlinetransformer

BB BandaBase

BLE BluetoothLowEnergy

BOE BoletínOficialdelEstado

COFDM CodedOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing

CPU CentralProcessingUnit

CSI CameraSerialInterface

DC DirectCurrent(Corrientecontinua)

DSI DisplaySerialInterface

DSP DigitalSignalProcessor

DSSS DirectSequenceSpreadSpectrum

DVB-T DigitalVideoBroadcasting-Terrestrial

EEPROM ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory

ESD ElectrostaticDischargeDiode

FFT FastFourierTransform

FPGA FieldProgrammableGateArray

FTP FileTransferProtocol

GPIO GeneralPurposeInput/output

GSM GlobalSystemforMobilecommunications

HW Hardware

I/Q In-phase/Quadrature

IF IntermediateFrequency(FrecuenciaIntermedia)

IoT InternetofThings(InternetdelasCosas)

IP InternetProtocol

ISM Industrial,ScientificandMedical

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LDO Low-Dropout

LNA LowNoiseAmplifier

MAC MediumAccessControl

MCX Microcoaxial

MIT MassachusettsInstituteofTechnology

NCO NumericallyControlledOscillator

OBW Ocupiedbandwidth

OFDM OrthogonalFrequency-DivisionMultiplexing

OS OperativeSystem(SistemaOperativo)

OSI OpenSystemInterconnection

PCB PrintedCircuitBoard

PHY PhysicalLayer

PIRE PotenciaIsotrópicaRadiadaEquivalente

PLL Phase-lockedLoop

QoS QualityofService(calidaddeservicio)

RAM RandomAccessMemory

RF RadioFrequency

RMS RootMeanSquare(valorcuadráticomedio)

SAW SurfaceAcousticWave

SDR Software-DefinedRadio

SNR SignaltoNoiseRatio

SSH SecureSHell

SW Software

TCP TransmissionControlProtocol

TU TimeUnit

TV Televisión

USB UniversalSerialBus

USRP UniversalSoftwareRadioPeripheral

VGA VoltageGainAmplifier

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WLAN WirelessLocalAreaNetwork

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1. IntroducciónEn los últimos años la sociedad moderna viene experimentando una etapa de

increíbles avances en diversos ámbitos de la tecnología. Con el inicio de la era deInternet se consiguió una gran facilidad para acceder y compartir todo tipo deinformación. A su vez, el coste del hardware se fue decrementando poco a pocotambién,peroloquesupusounverdaderosaltoencuantoacostesdelhardwareparapequeñosproyectos, fue lacreaciónenelaño2005de laplacaArduinodesarrolladaporlaUniversidaddeIvrea.Estedesarrolloestuvomotivadoporlosaltoscostesdelosmicrocontroladores que eran necesarios para cursar determinadas asignaturas endichauniversidad.ElprimerArduinoeraunaplacaconunmicrocontroladorcuyocosteenserienosuperabalos30dólaresyseprogramabademanerasencillaconelobjetivode llegar a ser accesible a estudiantes no especializados en el desarrollo conmicrocontroladores.

Elmovimientomakerrepresentaunaculturabasadaeneldesarrolloeinnovación,con una filosofía DIY (Do It Yourself, “hazlo tú mismo”) y es en este contextoprobablemente donde el movimientomaker comenzó a adquirir mayor fama. Estemovimientoserealimentaensímismo,yaquegranpartedelosproyectossepublicanenInternetyasuvezsereinventanotrosnuevosbasadosenaquellosyapublicados.Conestainventivasebuscacubrirnecesidades,demanerapráctica,creativaybarata.El diseño realizado está basado en esta cultura, usando un microcontrolador y unreceptorSDRdebajocoste.

Esteproyectosehaabordadoconelobjetivodediseñarunsistemaautónomodemuy bajo coste, que sea capaz de detectar transmisiones indeseadas que sigan elestándar IEEE 802.11g/b/n/ac. Se ha restringido la aplicabilidad de la solución a labandadefrecuenciasentre26y1766MHz,porlaspropiaslimitacionesdelhardwareempleado. No obstante, con pequeñas modificaciones en el software y empleandootrohardware,lasoluciónaquípropuestaesaplicableacualquierotrabanda(2.4GHz,5GHz,etc.)dondetrabajenlossistemasIEEE802.11b/g/n/ac.Paraconseguirlo,sehanusado dispositivos que son ampliamente conocidos en Internet y que son fáciles deadquirirencualquierpartedelmundo.

EldiseñoseharealizadomedianteelusodeunreceptorSDR,concretamentesehausadoelreceptorRTL-SDR.Conestedispositivo,seanalizarálabandade700MHzenbusca de transmisiones conforme al estándar IEEE 802.11b/g/n/ac. Este receptor, alconectarlo al microcontrolador adecuado, si detecta una transmisión mandará unaalarmaaunservidordondesemostrará lafrecuenciay lapotenciade latransmisióndetectada,asícomolafechaylahora,entreotrosdatos.

UsarlatecnologíaSDRseráunodelosfactoresmásimportantesdeesteproyecto,yaque serábaratoy flexible,permitiendoqueel sistemaseautilizadoendiferentes

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bandas de frecuencia entre 24 y 1766MHz cambiando simplemente algunos de losparámetrosdelprogramaquecontrolanelfuncionamientodelreceptor.

En estamemoria se detallarán los pasos seguidos para el desarrollo del sistemapropuesto, así como los problemas encontrados en el proceso de diseño. En elapartado4,seharáunaexplicacióndetalladadeloselementoshardwareutilizados,asícomodelosframeworkselegidosparadesarrollarlapartedesoftwaredeldiseño,queconstituyelapartemáscomplejadelproyecto.

Una vez diseñado el sistema se tomaránmedidas en diferentes entornos con elobjetivodedetectartransmisionesquesebasenenelestándar802.11b/g/n/acen2escenarios diferentes, detallándose los resultados obtenidos en el apartado 5. Elprimer entorno será la una estación de Metro de Madrid donde se medirán lastransmisiones tren-tierra de los trenes de la línea 2. En este entorno, no hayprácticamenteinterferenciasenlabandade700MHzlocualfacilitaladeteccióndelastransmisiones. Posteriormente, semedirá en una cochera deMetro evaluando si esviable el sistema, a pesar de compartir la banda los trenes con otros sistemas deradiodifusión que usan dicha banda [19]. Finalmente, se determinarán lascaracterísticasdelsistemayseharáunanálisiscualitativodelasmismas.

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2. EstadodelarteEl uso del dominio público radioeléctrico se viene incrementando en los últimos

años [1]. Ya había sistemas desde hace tiempo que vienen utilizando el espectroradioeléctrico, pero hay muchos sistemas de telecomunicaciones emergentes quetambién lo requieren. Algunas de las ventajas del uso demedios no guiados entretransmisoryreceptor,sonlaindependenciadeubicaciónymovilidaddelosterminales[1].Dichasventajas,hanayudadoaquehayaunrápidodespeguedegrancantidaddeinfraestructuras de telecomunicación necesarias para mantener los servicios detelecomunicaciónrequeridosporlasociedadmodernaactual.

En este sentido, se están abriendo nuevas bandas de frecuencia enfocadas adiferentes sistemas de comunicaciones, con el fin de ofrecer un amplio abanico deaplicaciones finales que sean atractivas y proporcionar lamayor calidad del servicioposiblealusuariofinal.

Laconfluenciadecientosdetecnologíasdiferentesenelusointensivoyescalabledel dominio público radioeléctrico, requiere una laboriosa gestión y planificacióntécnicadelosrecursosdelosquesedispone,juntoconunastareasdecontroltécnicoque ayuden a detectar las incompatibilidades entre los diferentes sistemas detelecomunicaciónquemermenlacalidaddelservicioproporcionadoporlosmismos.

Enelfuturoseesperaconseguirunacomparticióndealgunaspartesdelespectropor parte de diferentes servicios de telecomunicación, aprovechando que endeterminadosinstantesolugares,algunasbandasestánendesuso.Deestamanera2o más servicios de telecomunicación podrían usar unamisma banda sin producirseinterferencias entre ellos. Este concepto es usado en la radio cognitiva que seráexplicadabrevementemásadelante.

Para el control de las interferencias entre los diferentes sistemas detelecomunicaciónsesiguentresimportantespasos:

1. Detección2. Localización3. Eliminacióndelasinterferencias

La ley32/2003,de3denoviembre,GeneraldeTelecomunicacionesestableceensutítuloV[2],acercadeldominioradioeléctrico,dentrodelaAdministraciónGeneraldel Estado, la realización de las labores de inspección, detección, localización,identificación,yeliminacióndelasinterferenciasperjudiciales,delasirregularidadesydelasperturbacionesenlossistemasradioeléctricos.Loanterior,estáencomendadoala Secretaría de Estado para la Sociedad de la Información y Agenda Digital,disponiendo para ello de los medios técnicos y humanos para la realización de las

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tareasparaelcontroltécnicodelespectroradioeléctrico[1]yvelarporqueserespetelodispuestoenelCNAF(CuadroNacionaldeAtribucióndeFrecuencias).

Estas funciones de supervisión son delegadas en la DGTTI (Dirección General deTelecomunicaciones y Tecnologías de la Información) que dispone de una red deestacionesdeCTER(ComprobaciónTécnicadeEmisionesRadioeléctricas),distribuidasalolargodetodoelterritorionacionalespañoleinstaladasenemplazamientosfijosymóviles[3].

Para el control del espectro en abril de 2012 (última fecha documentada) enEspañasedisponíade32estacionescontroladorasfijasqueseubicanenlasJefaturasProvincialesdeInspeccióndeTelecomunicaciones,61estacionestele-controladasfijasy17unidadesmóviles.

LamayoríadelasunidadesmóvilesusadasenEspañavanembarcadasenuncochecomoeldelafigura2.1ymidelalocalizaciónexactadelasmedidasmediantesistemaGNSS(GlobalNavigationSatelliteSystemoSistemaGlobaldeNavegaciónporSatélite),equipo de goniometría (para lamedición de direcciones de las transmisiones) y porsupuesto,unequipodemediciónderadiofrecuencia.

Figura2.1:UnidadmóvilparaCTER[3]

Lainstrumentaciónauxiliarutilizadasetratadeunaseriedeequiposdemedidadegranprecisión.Estosequipospor logeneralsonbastantecarosynoestándiseñadosparaoperarenmodostandalonedurantemuchotiempo.Enlafigura2.2semuestranalgunosdelosequiposutilizados.

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Figura2.2:InstrumentaciónauxiliarparaCTER[3]

Es por ello, que el proyecto diseñado puede resultar una solución alternativa,barata, y versátil para todas aquellas empresas que necesiten determinar que sustransmisoresnoseencuentrantransmitiendoonoestántransmitiendoporencimadeunumbralenunadeterminadabandademaneraautónoma.EstopermitiríadisminuirelriesgodelasempresasseanmultadaspornorespetarelCNAF,asícomosuscostesoperativos.

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3. Entorno3.1. RadiodefinidaporSW

3.1.1. ConceptoUnaradiodefinidaporsoftware(Software-DefinedRadio,SDR)esunhardwareque

implementa mediante software funciones que habitualmente suelen ser llevadas acabo por el hardware como pueden ser mezcladores, filtros, amplificadores,moduladores/demoduladores y detectores [4]. Para implementar las solucionesmedianteSW(software)esnecesarioqueelsistemapreviamenteimplementeunADC(Analog to Digital Converter o Conversor de señal Analógica a Digital) y/o un DAC(DigitaltoAnalogConverteroconversordeseñaldigitalaanalógica)paraconvertirlaseñalanalógicaenunaseñaldigitalizadayviceversa.Lafigura3.1muestraelesquemageneraldeundispositivoSDRaplicabletantoareceptorescomotransmisores.

Figura3.1:EsquemageneralSDR[5]

Anivelconceptual,sepuededecirqueunaradiodefinidaporsoftwareconstadeunasecciónRF(antena,amplificadores,filtros…)unADCoDACyunDSPosistemadecomputación conectadoaunDigital Front End. Estopermiteque la radio tengaunagranversatilidad, siendomuyútilpara serviciosmilitares, telefoníacelularymuchosotros servicios. De hecho, se espera que la SDR se convierta en una tecnologíadominanteenlasradiocomunicacionesenelfuturopróximo.

LasprincipalesventajasdeusarSDRparasistemasderadiocomunicacionessonlassiguientes:

- Rapidezdedesarrollo:Paraeldesarrollodeaplicacioneshayqueescribirlíneasde código, en lugar de tener que modificar físicamente el hardware quecomponeunsistemadecomunicaciones.

- Fácilactualización:Muchasveceselhardwarequecomponeunaradiofuncionabienperosequedadesactualizado,teniendoquesustituirelcostosohardwaresi se quiere actualizar el sistema de comunicaciones. Sin embargo, una

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actualización de software se puede implementar fácilmente cambiandolibreríasylíneasdecódigo.

- Flexibilidad: El software puede implementar gran variedad de opciones defuncionamiento, sin embargo, un componente hardware es difícilmentereconfigurableyaquesueleimplicarmodificacionesfísicas.

- Coste:Todaslasanterioresventajasencuantoalamodificacióndeunaradio,reflejanunadisminucióndeloscostesdedesarrollofinalesasociadosalsistemadetelecomunicación.

La etapa de conversión de digital a analógica una señal en un SDR, es de granimportancia ya que limitará el ancho de banda del sistema según la frecuencia demuestreo fs conforme al Teorema deMuestreo de Nyquist-Shannon (generalmenteconocidodeformaabreviadacomoTeoremadeNyquist).Dichoteoremaestablecelacondiciónnecesaria(expresadaenlaecuación1)quesedebecumplirenelmuestreodelaseñalparaquesepuedarecuperarlamismasinpérdidas.

f" > 2 ∗ f&'( = 2 ∗ B (1)

Siendo fmax la frecuenciamáximade la señal,queestandoenBB (bandabase)esigualaelanchodebandaBdelaseñal.

Por tanto, el ancho de banda vendrá limitado por la frecuencia de muestreomáximadel dispositivo SDRutilizado.Desde la creaciónde las SDRs sehamejoradomuchoesteaspectodelasradios,yaqueenladécadade1990losDAC/ADCeranmuycarasyteníanunafrecuenciademuestreode100kHzcuandoahora lasactualesSDRdebajocostellegana2,8MHz(receptorRTL-SDR)yotrasSDRalcanzan56MHz.

3.1.2. HistoriaEl primer receptor con etapas digitales fue realizado por un laboratorio del

DepartamentodeDefensadeEstadosUnidosyservíacomoherramientadeanálisisenbandabasebasando suoperativaen software.Peroel término“radio software” fueacuñado realmente en 1984 por la una división de E-Systems para referirse a unreceptordigitalenbandabase[6].

En el año 1991 se creó el programa SPEAKeasy por DARPA que fue el primerprogramamilitarquesustituyócomponentesdenivelfísicomediantefuncionalidadessoftware.Podíaoperarentre2MHzy2GHzypermitíaelusodediferentesprotocolosymodulaciones(hasta10protocolosmilitaresderadio).

Enel año1992 JosephMitolapublicóel primer artículo relacionado con la radiosoftware en el IEEE National Telesystems Conference cuyo nombre es “SoftwareRadio:Survey,CriticalAnalysisandFutureDirections”[6].Mástarde,enelaño1998utilizóeltérmino“radiocognitiva”(cognitiveradio)[6]parareferirsealasradiosque

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son conscientes del espectro que las rodea y tienen la “inteligencia” necesaria paraadaptarseaél.

En1998 laempresaMathWorks creó loque fueelprimerentornodedesarrolloquepodíagenerarprogramasejecutablesdesdeunDSPdeTexas InstrumentsobiendesdeunaFPGAXilinxapartirdeunmodeloSimulink[6].LasplacasconstituyeronlasprimerasplataformasdedesarrollodedispositivosSDRcomercialesparalaboratoriosouniversidades.

El acontecimiento que realmente creó un acercamiento de un público másnumerosoaestatecnologíafuesindudacuandoenelaño2001secreóelframeworkde desarrollo GNURadio como evolución del programa desarrollado por el MIT(Massachusetts Institute of Technology) PSpectra. GNURadio es un framework dedesarrollo de aplicaciones para SDR, fue fundado por Eric Blossom y financiado porJohnGilmore.EstesoftwareesunodelosmásconocidosparaeldesarrolloconSDRyadíadehoyaúnmantieneunacomunidadmuyactivadetrás.Unpuntofuertedeesteframework radica en su versatilidad, ya que se puede programar de forma intuitivamediante bloques y además se pueden modificar dichos bloques o implementarnuevosprogramandoenC++oPython.Puedeserdescargadoeinstaladoencualquieradelosprincipalessistemasoperativos(Windows,UbuntuyOSX)[7].

Enlafigura3.2sepuedeverlainterfazquepresentaelprogramaGNURadioconun ejemplo de programa usando bloques que se encarga de controlar una radio ytratarlaseñalobtenidadelamismaalejecutarlo.

Figura3.2:InterfazGNURadio

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Enelaño2004comenzaronafabricarseprocesadoresespecíficamentediseñadospara el procesamiento de señal en bandabase y paramanejar la capaMAC (MediaAccess Control) dentro del nivel de enlace de datos del modelo OSI (Open SystemInterconnection). Este tipo de procesadores permitieron reducir drásticamente eltamaño, coste y el consumo de potencia de los equipos SDR en los que seimplementaban, haciéndolosmuchomás usables y versátiles. Como por ejemplo elPC102 de la antigua compañía Picochip diseñado para infraestructura 3Gprincipalmente.

En la actualidad los dispositivos SDR tienen gran utilidad tanto en servicios detelefonía celular como en aplicaciones del ámbito militar, debido a su fácilreadaptaciónadiferentesprotocolosconrapidez.

3.1.3. ArquitecturasAlolargodeladécadadelosnoventalasprimerasradiosSDRcomenzaronconuna

arquitectura en su mayor parte analógica [4]. En estas arquitecturas la señal RFrecibida se trasladamediante un oscilador local a una IF (Intermediate frequency ofrecuenciaintermedia)ymedianteunsegundoLO(Localoscillatoruosciladorlocal)setransporta la señal de IF a BB, donde ya es digitalizada para ser procesada. Losconversores ADC/DAC utilizan una frecuencia de muestreo en 10 y 20 KHz. Estaarquitectura es usada paraGSM. En la figura 3.3 se puede apreciar un diagramadedichodiseño,dondesepuedeobservarque lapartedigitalde laradio(coloreadaenazul)esbastanteexigua.

Figura3.3:DiagramaSDRdeprimerageneración[4]

YaenlaprimeradécadadelsigloXX,secomenzóamuestrearydigitalizarlaseñalen frecuencias intermedias, gracias al desarrollo nuevos ADC/DAC que permitíanoperar a frecuencias de MHz haciendo la SDR más digital que en la primerageneración.EncuantolaseñalsedigitalizaseutilizaunDDC(DirectDigitalConverter)para trasladar la señal a banda base y posteriormente diezmarla. Así, esta segundaconversiónsehaceyaeneldominiodigitalynoenelanalógicocomoen lasSDRde

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primerageneración.Unavezobtenidalaseñalenbandabaseserealizaelprocesadode la señal pertinente mediante software. Estas son las llamadas SDR de segundageneración.En la figura3.4semuestraundiagramadebloquesdeestaarquitecturadondesepuedeapreciarcomolaconversióndeseñalanalógicaadigitalserealizaenlasfrecuenciasintermedias.

Figura3.4:DiagramaSDRdesegundageneración[4]

Enesteproyectoseutilizarácomoyasehacomentado,unreceptorRTL-SDRqueperteneceaestasegundageneración,cuyaarquitecturaseanalizaráconmásdetalleenelapartado4.1deestamemoria.

Lamejorade lacapacidadyvelocidadde toda laelectrónicadigitalqueseprevéque tendrá lugar durante próximos años, llevará al desarrollo de las SDR de tercerageneración.Enestasradios,loúnicoquesehacedemaneraanalógicaesamplificarlaseñalypasarlaporunfiltroantiAliasingjustoantesdeserdigitalizadacomosepuedeapreciar en lapartede colornaranjade la figura3.5. Posteriormente se trasladaenuna sola etapa deRF a banda base con un soloDDC para después diezmar la señalrealizarelDSPdeseadoenbandabasemedianteelsoftwareoportuno.

Esta generaciónde radios seharáposible cuando losADC/DAC lleguen a ser delordendegigahercios,deformaquesepuedaeliminarlanecesidaddelaetapadeIF.

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Figura3.5:DiagramaSDRdetercerageneración[4]

Dentrodelahojaderutadelaevolucióndelatecnologíaradio,laradiocognitivaesunparadigmaalquesepretendellegarconlaevolucióndelatecnologíaSDR,enelquetantolasredescomolosnodosinalámbricoscambianparámetrosparticularesdetransmisiónoderecepciónparaejecutarsucometidodeformaeficientesininferirconotrosusuarios[8]aprovechandopartesdelespectroquenoestánsiendoutilizadas.

Laradiocognitivaconstadeunmódulodesensorizaciónenelquesemonitorizandiferentes bandas del espectro en busca de frecuencias en las que no se estétransmitiendonadaenesedeterminadoinstante.Eldiseñodeesteproyectosepodríaconsiderar un dispositivo de sensorización, ya que detecta donde se estátransmitiendoenunadeterminadabanda,loque,combinadoconelrestodemódulos,permitiría el funcionamiento de una radio cognitiva. En la figura 3.6 se ilustra unejemplode loshuecosqueexistenen lasdiferentesbandasy sepretenden localizarconestemódulo.

Figura3.6:Esquemaradiocognitiva[9]

Unavezdetectadoslosespacioslibresenelespectro,laradiocognitivaseencargadetrasladarlafrecuenciadeRFaalgunodehuecoslibresdetectados,demaneraque

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no sedesperdicien lasbandasdelespectroquenoestán siendoutilizadas.Paraqueestos cambios sean rápidos, se debe utilizar una tecnología SDR que permita lascomunicaciones de manera adaptativa cambiando de frecuencia rápidamente sinafectardemasiadoalservicioproporcionado.

3.1.4. DispositivosLagamaactualdedispositivosSDResmuyampliaydependiendodesuaplicación

sepuedenelegirdispositivosmuydiferentes.En lagamabajadelmercadopodemosencontrarentreotrosdispositivos:

- RTL-SDRde15$(Receptor)- FunCubede190$(Receptor)- AirSpyde200$(Receptor)- SDRPlayde300$(Receptor) - HackRFpor300$(TransmisoryReceptor)

Ya en una gama más profesional están las USRP (Universal Software RadioPeripheral),queesuna familiaderadiosdefinidasporsoftwarequesondiseñadasyvendidasporEttusResearch,unacompañíadeNational Instruments. Esta familiaderadiospuedenoperarentre0y6GHz. Estosdispositivospuedentransmitiryrecibirseñalespermitiendodiseñareimplementarpotentesyflexiblessistemasderadioporsoftware. Se pueden controlar usando diferentes herramientas de desarrollo comoSimulink,GNURadiooLabView.Elprecioosciladesde los700USDde sugamamásbajahastalos5000USD[10].Enlafigura3.7sepuedeapreciarelaspectodeunaradioUSRPdelaserieX.

Figura3.7:RadioUSRPSerieX[10]

Comoesrequisitodelsistemaqueseadebajocoste,hemoselegidolaradioRTL-SDRdebidoasubajoprecioylasfrecuenciasalasquepuedeoperar.Alolargodeeste

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proyecto se evaluará si sus características son suficientes para cubrir la necesidadplanteadaenesteproyecto.

3.2. IEEE802.11b/g/n/acEl estándar IEEE 802.11 forma parte de la familia 802 y constituye una serie de

especificacionesinicialmentediseñadasparausarenredesLAN(localareanetworkoredes de área local) y MAN (Metropolitan area network o redes de áreametropolitana).EstasespecificacionesestáncentradasenlosdosnivelesmásbajosdelmodeloOSIcomopuedeverseilustradoenlafigura3.8:elniveldeenlacededatosyelnivel de capa física. La capa MAC forma parte de la capa de enlace de datos yconstituyeuna serie deprotocolos quedeterminan comoacceder almedio y enviardatos,mientras que la PHY (capa física) es la que se encarga de la transmisión y larecepcióndelosdatosatravésdeunmediofísico.

Figura3.8:EsquemadelmodeloOSI[11]

Esteestándarsediseñóparaoperarenlabandadelos2,4GHzy/o5GHz.Unodelosprimerosestándaresdeesta familiaenaparecer fueel802.11bqueusóunnivelfísicoconelcualincrementólavelocidaddetransmisióndelosbitshastalos11Mbit/smediantelautilizacióndeunamodulacióndeDSSS(Directsequencespreadspectrum)y llegó al mercado en 1999.Más tarde llegó el estándar 802.11g compartiendo lasmisma frecuencias y siendo compatible con el estándar 802.11b, pero usando unamodulación OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) y alcanzando unasvelocidades de transmisiónmayores (22Mbit/s de promedio). Comomejora a estas

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dos últimas versiones se creó el estándar 802.11n que también usa la modulaciónOFDMoperandoen2,4y5GHzalcanzandolos100Mbpsdemedia.Operandoen lasmismas bandas, en 2013 se creó el estándar 802.11ac que usa también unamodulación OFDM pero alcanza unas velocidades entre 433 y 1690Mbit/sdependiendodelasantenasutilizadas[12].

3.2.1. ComponentesdeunaredIEEE802.11En la estándar IEEE 802.11 se pueden distinguir varios componentes físicos que

constituyenlared[12]:

- Estacióncliente:Esundispositivoconunainterfazderedqueseconectaa laredparaaccederadeterminadosserviciosodatos.

- AP(AccessPointoPuntosdeAcceso):Sonlossistemasquepermitenelcambiodemedioporelquesepropaganlodatos.

- Medio:espordonde sepropagan lasondasque llevan losdatosa transmitirentrelasestacionesylosAPs.

- Sistemadedistribución:Eselmedioatravésdelcualseenvíanlosdatosasudestinatario, comunicando la red local conuna redde coberturamuchomásgrande.

Enlafigura3.9semuestraunesquemadelafuncióndesempeñadaporcadaunodeestoscomponentesenunared802.11.

Figura3.9:Esquemadered802.11[12]

3.2.2. CanalesDadoqueeldiseñoserátesteadoconunsistemadecomunicacionesbasadoenel

estándar802.11g,seráanalizadomásendetallequeelrestodeversiones.

Paralarealizacióndelacomunicaciónsincables,hayunaseriedecanalesatravésde los cuales se puede transmitir, de manera que se pueda usar el espectroelectromagnéticodeformaeficazyseproduzcanlamenorcantidaddeinterferenciasposibles.

Losestándares802.11b/gusanlabandade2,4GHz.Estabandasedivideen14talycomosemuestralafigura3.10.Sinembargo,dependiendodelalegislacióndecadapaís hay algunos de estos canales que no son utilizados. En el caso de Japón por

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ejemplo,seusantodos loscanales,peroenEuropaseutilizan loscanalesdel1al13separadosentreellos5MHz[12].

Figura3.10:Canales802.11g[13]

Lanormadefineunamáscaraespectralparalastransmisionesenlaquea±11MHzde la frecuencia central la señal transmitida se debe atenuar 20dB respecto a sumáximo.Por lotanto,sepuedeaproximarque lastransmisionestienenunanchodebandaa20dBaproximadode22MHz.Enlafigura3.11podemosobservarelaspectode la banda de 2,4GHz en un entorno real, en el que se puede ver las señales delestándarWi-Fiqueusanunaarquitectura802.11paracomunicacionesenunaWLAN(WirelessLocalAreaNetwork),usandolatarjetadereddeunordenadorportátiljuntoconelsoftware“AcrylicWi-FiProfessional”.

Figura3.11:Espectroenlabandade2,4GHzusandoprograma“AcrylicWi-FiProfessional”

3.2.3. Detecciónderedes802.11Antesdeusarcualquierredprimeroesnecesarioqueeldispositivoquepretende

conectarse a la red, la encuentre. En una red cableada puede resultar algo sencillo,perosinembargoenunaredsincablesnoesunatareatantrivial.ParaladetecciónderedesbasadasenunaarquitecturaIEEE802.11hay2sistemasdiferentes[12].

- Ladetecciónpasivaesun tipodeprocedimientodedetecciónde redesenelque la estación cliente no necesita transmitir nada. Los APs transmiten enbroadcast unos paquetes llamados “beacons” con información relevante del

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BSS(BasicServiceSet)comosemuestraenlafigura3.12.LaestaciónreceptorarealizaunbarridoatravésdetodosloscanalesyalmacenaenunbuffertodalainformaciónextraídasobrelosAPquehanenviadolosbeacons.

Figura3.12:Esquemadedetecciónpasiva[12]

- En una detección activa, la estación cliente adquiere un rol activo en ladeteccióndelared.Enestesistemalaestaciónclienteseencargadeenviarunpaquete“proberequest”(solicitaconexión)encadaunodeloscanales(figura3.13a)yesperaunarespuestaporpartedealgúnpuntodeaccesodecadaBSScon un paquete “probe response” para después enviar la confirmación de laconexión con un ACK (acknowledgement) en caso de recibir respuesta paraestablecerlaconexión.Eltiempodeesperadelarespuestavienedefinidoporelparámetro“Minimumresponsetime”.Esteprocesoesilustradoenlafigura3.13.

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Figura3.13:Esquemadetecciónactiva[12]

Los paquetes beacon transportan la información básica sobre la WLAN y suconfiguración, con el fin de que las estaciones cliente dispongan de los datosnecesarios para conectarse a ella. El tiempo entre transmisiones de beacons vienedefinidoporlasTU(timeunitsounidadesdetiempo)quetienenunaduraciónde1024microsegundos cadauna. En las siguientes figuras se puedeobservar la informaciónquecontienenestospaquetesenviadosporunAP.

Figura3.14:Datosgeneralesdelpaquetebeacon

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Enlafigura3.14sepuedeobservarlainformaciónprincipalqueaportaunpaquetebeacon.Conel timestamp (marcade tiempo)se indicaelnumerodemicrosegundosquellevaelAPactivo.Porotrolado,sepuedeverqueelAPquehaenviadoelbeaconse identificaconunBSSID(BasicServiceSet IDentifier)queseformacon ladirecciónMACdelAP.Tambiénel receptorobtieneunvalordeRSSI (ReceivedSignalStrenghtIndicator)queindicalapotenciaconlaqueseharecibidolaseñal.Esto,serádevitalimportanciaelproyectodesarrollado,yaquesedetectaráúnicamentelapotenciadelas transmisiones recibidas,por loqueunosde los factoresmásdeterminantesparaque el sistema desarrollado cree una alarma por una transmisión será que el RSSIdetectadoseasuficientementesuperioralnivelderuidodelreceptor.Laseñaltendráque ser recibida con una relación SNR suficiente como para superar el umbral dedetecciónfijadoporelprograma.

En la figura 3.15 se muestra más en detalle la información que transporta unpaquetebeacon.

Figura3.15:Datosespecíficosdelpaquetebeacon

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Elcampo“Beacon Interval” tieneunvalorde0TUen la figura3.15,sinembargopor defecto en este estándar suele tener un valor de 100 TU. Este campo tiene untamaño de 2 bytes en la trama del paquete, por tanto, el valormáximo de tiempoentre beacons será de 65536 TU que es lo mismo que 67,108 segundos. El valormáximo de tiempo entre beacons será el que determine la probabilidad de que elsistema diseñado detecte en un barrido unbeacon enviado por un transmisor paraarquitecturasdedetecciónpasiva.

Elsistemadecomunicacionesconelquesetestearáeldiseñoutilizaunadetecciónactivaenelquelasestacionesclienteenviaránpaquetesproberequestbasándoseenel estándar 802.11g. Dicho paquete usará una modulación OFDM. La modulacióntendrá el aspecto de la figura 3.15 donde semuestra la posición de las diferentessubportadorassiendoelOBW(Ocupiedbandwidth)de16,6MHz.

Figura3.16:Espectro802.11g[14

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Tabla1:ParámetrosPHYOFDMen802.11g

Anchodebanda 20MHz

Anchodebandaocupado 16,6MHz

EspacioentreSubportadoras 312,5KHz

Velocidaddatos 6/9/12/18/24/36/48/54Mbits/s

Modulación BPSK,QPSK,16QAM,64QAM

Ratiocodificación 1/2,2/3,3/4

Subportadoras 52

Subportadorasdedatos 48

Subportadoraspiloto 4

SubportadorasDC 0

EstamodulaciónOFDMtienelascaracterísticasquesereflejanenlaTabla1.

3.3. ModelosdepropagaciónUn modelo de canal es una simple representación de la realidad que captura

aquellos aspectos del canal que afectan al comportamiento de una tecnología radio[15]. En este apartado se va a analizar concretamente los efectos del canal endiferentesentornosparafrecuenciasentornoa700MHzqueesdondeseencuentralabandadefrecuenciasparalaquesehadiseñadoeldispositivo.

Según la recomendación IMT-2000 de ITU-R (International TelecommunicationUnion-Radiocommunication Sector) se definen tres entornos diferentes depropagacióndelascomunicacionesradioterrestres.

- Las picoceldas son concebidas para entornos en los que el transmisor yreceptorseencuentranenuninterior,dondeladistanciaentreellosnoexcedeunoscientosdemetros.

- Las microceldas se refieren a entornos exteriores en las que receptor ytransmisorestánseparadosentornoa1km.EnalgunoscasospuedehaberLOS(line-of-sightolíneadevisión)peroenotrosesprobablequehayaobstáculosentreemisoryreceptor.

- Las macroceldas se usan en entornos exteriores en los que transmisor yreceptorseencuentranseparadosporvarioskilómetros.

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Este proyecto se centrará principalmente en el entorno de las picoceldas y lasmicroceldasyaqueparalascomunicacionesbasadasenlaarquitecturaIEEE802.11lasdistanciasentretransmisoresyreceptoresnosondemasiadograndes.

Se centrará el análisis principalmente en el estudio demodelos de propagaciónparacalcularlaatenuaciónquesufrelaseñaldemaneraquesepuedaaproximarsieldiseñopropuestoserácapazdedetectarlastransmisiones.Loprimeroparasabersisepuededetectarunaseñaltransmitidaporunsistemaesconocerlascaracterísticasdeltransmisoryreceptor,peroprobablementeelaspectomasdifícildeconocerseasaberlas pérdidas que sufre la señal al propagarse. En la ecuación 2 semuestra cómo secalcula las perdidasde las señal PL (Path Loss) enunenlacedondePt es a potenciatransmitida,Preslapotenciarecibida,GtlagananciadelaantenatransmisorayGrlagananciadelaantenareceptora.

PL = P- − P/ + G- + 𝐺3 (2)

Las pérdidas por camino tienen una dependencia con la distancia y con lafrecuenciademaneraindependientecomoexpresalaecuación3, locualconociendola frecuencia de onda y usando un modelo correcto para calcular PL se puedeaproximar ladistanciadentreel transmisoryel receptor. Sinembargoestono seráposibleconel sistemapropuestodebidoa labajacalidaddel receptorusadopara ladetección.

PL f, d = PL d PL(f) (3)

Siendogeneralmentelarelaciónconlafrecuencialadelaecuación4,conk=1enelespaciolibre.

𝑃𝐿(𝑑) ∝ 𝑓=> (4)

Existendiferentesmodelosquenosayudana tenerunanociónde la atenuaciónque sufre la señal entre el receptor y el transmisor. Losmodelosdepropagación sepuedenclasificarentresclases:

- Los modelos teóricos son modelos determinísticos en los que se tiene encuentaúnicamente la teoría depropagacióndel rayo. Sonmodelosqueparaproporcionar resultados fiables en entornos reales requieren una gran cargacomputacionalyelusodegrandesbasesdedatosconunadetalladatopografíadelterreno.

- Los modelos empíricos son aquellos que se basan en una serie de medidasrealizadasenunentornoenparticular.Paraquelasestimacionesseanlomásfiablesposibleshayquetomarvariasmedidas.

- Los modelos semi-empíricos son una combinación de los tipos anteriores,teniendo que tomar una serie demedidas, pero luego estas se ajustan a unciertomodeloteórico.

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Paraeltesteodelsistemasevamedirlascomunicacionestren-tierraenlalínea2delMetro deMadrid que se basan en la arquitectura IEEE 802.11g, trasladada a labandadefrecuenciasde700MHz.LasmedidashansidotomadasconcretamenteenlaestacióndeCanal(línea2)yenlacocherasdeMetrodeMadridenVentas,elcualseráunentornoenelquehaymásactividadelectromagnéticaqueenelcasoanterioryaque lasmedidas fueron tomadasbajo tierraypor tantonohaymucha influenciadeotrotipodetransmisionesenlabandadefrecuenciastesteada.

Acontinuación,sevaarealizarunanálisissobrelosmodelosdepropagaciónqueestiman mejor las pérdidas que sufre la señal en los escenarios en los que se hatesteadoelsistema.Paraello,sebasaráelanálisisenelexhaustivoestudiorealizadodemodelosdepropagaciónen[16]paraestacionesdetrenes, túnelesyelpatiosdemaniobras.

Elmodelodepropagaciónenelespaciolibre,quevienedadoporlaecuación5yaporta un aproximación ideal de la atenuación que sufriría un enlacereceptor/transmisorconunrayodirectoenelespaciolibre.

A@A = 32.45 + 20 ∗ log 𝑓 𝑀𝐻𝑧 + 20 ∗ log d(𝐾𝑚) (5)

Estemodelo se aproxima bastante bien en situaciones en las que el rayo entreemisoryreceptornotieneobstruccionesenlaprimerazonadeFresnel[16].Elradioelelipsoide de Fresnel por tanto, tendrá que ser menor que la distancia a cualquierobstáculode la línearectaqueuneelsistemadiseñadoyel transmisor. Dichoradiovienedadoporlaecuación6,siendorQelradiodelelipsoidedelazonadeFresneln,ysiendod1yd2distanciasigualesquecumplenlacondicióndelaecuación7siendodladistanciaentretransmisoryreceptor.

rQ =𝑛𝜆𝑑T𝑑U𝑑T + 𝑑U

(6)

𝑑T + 𝑑U = 𝑑 (7)

Sinembargo,estemodelocuandohayobstáculosdepormedio,dejadedarunaestimación aceptable para calcular las pérdidas de trayecto. Cuanto mayor es ladistancia, mayor es el radio del elipsoide de las zonas de Fresnel, por tanto, endistancias largas dentro de una estación de tren (oMetro) se aplica unmodelo depropagaciónempíricosugeridoporKajiyAkeyama[17]paraunamicroceldausandoantenas de poca altura en calles de ciudad, aplicable para distancias entre 200m y1km.Estemodelopropuestovienedeterminadoporlaecuación7dondeaeslatasadeatenuaciónparadistanciascortas,besunatasaadicionaldeatenuaciónparacortasdistanciaspordebajodelpuntodecortegyceselfactordeoffset.

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L dBµV = −20 logTX 𝑑Y 1 +𝑑[

𝑔 + 𝑐

(8)

Enlasmedidasrealizadasenelentornoreal,lasantenasestánamenoralturaqueenlasmedidasrealizadasen[16]entoncesladistanciaválidaparausarelmodelodepropagación en espacio libre según la ecuación 5 será bastantemenor que en [16]dejando un intervalo de distancias entre los que puede que no se ajustencorrectamenteningunodelosdosmodelospropuestosparaesteescenario.Endichointervalo de distancias puede usar el modelo empírico general de pendiente depérdidasconladistancia.

Elmodeloempíricogeneraldependientedepérdidasconladistanciaesaplicabletanto a microceldas como a picoceldas. Este modelo al igual que los empíricos engeneral siguenuna leyproporcional al logaritmode ladistancia. En laecuación8 semuestra el valor de la atenuación según este modelo a una distancia d entre eltransmisoryelreceptor,siendoA(d0)laatenuaciónaunadistanciaconocidad0.

A 𝑑𝐵 = 𝐴 𝑑X + 10 ∗ 𝑛 ∗ log𝑑𝑑X

+ 𝜒a (9)

La variable𝜒a es una variable aleatoria con una distribución log-normal (en dBgausiana) demedia cero, que sirve da valor al error introducido por los fadingqueafectanalaseñalyotrosfenómenos.

El segundo entorno donde se harán la mediciones pertinentes es la cochera deMetro de Madrid de la línea 2 en Ventas (Madrid). Es un escenario formado pormuchasvíasytrenesenunanavesinmuchasparedesnitabiquesadicionalesquelosqueformanelcubículodelanave.Paraesteescenariosedebeusarelmismomodelodepropagaciónqueserecomiendaen[16]paraunpatiodemaniobras.Sielreceptorse puede poner en un punto en LOS con los transmisores se puede usar elmodeloteóricode2rayos.Estemodelotieneencuentaunrayodirectoyunrayoreflejadoenel suelo. El modelo es definido en la ecuación 9 siendo ℎc y ℎd las alturas de lasantenastransmisorayreceptorarespectivamente.

Le 𝑑𝐵 = 40 logTX 𝑑 − 20 logTX ℎc − 20 logTX ℎd (10)

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4. Diseñodelasolución4.1. RTL-SDREl dispositivo RTL-SDR es una radio definida por software inicialmente diseñada

para la recepción de señales DVB-T de TV en ordenadores usando una interfazUSBparaconectarsealmismo.Elcostedeestaradioestáentornolos15eurosyesfácildeadquirirencualquierpartedelmundo.

En el año 2010 Eric Fry usó un analizador de paquetes paraWindows y se diocuentadelpotencialparaelusodeldispositivocomoSDR.Mástarde,AnttiPalosaariyOsmocomconsiguierondesarrollardriverspara lograrelmanejodelhardwarecomoSDRsi secambiabael receptorRTL-SDRamodo“test”,quenoeraotracosaqueunbypassdelmododefuncionamiento ‘dvb-t’.Dichosdriversconcretamentefuncionancon el tuner RafaelMicro R820T2, que es el que se ha usado para este proyecto,permitiendooperarconéladiferentesfrecuenciascentrales,frecuenciasdemuestreo,usandodiferentesgananciasyobtenerlasmuestrasI/Q(Inphase/Quadrature)[18].

EldispositivoRTL-SDRtieneundiseñodeSDRdesegundageneraciónenelqueelpasodelaseñalRFrecibidaalafrecuenciaintermediaserealizaanalógicamenteyelpasodelasmuestrasdelafrecuenciaintermediaabandabaseserealizadigitalmentecon lamuestras I/Qusandoel chipRealtekRTL2832U.Unavez trasladada la señalabanda base y digitalizada se transmite por la interfaz USB al ordenador (omicrocontrolador) para que la señal sea procesada. En la figura 4.1 se muestra unesquemadeestomismo.

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Figura4.1:EsquemaporbloquesdelfuncionamientodeldispositivoRTL-SDR[4]

ConeldispositivoRTL-SDRsepuedenrecibircorrectamentefrecuenciasentre24y1766MHz[4]debidoalascaracterísticasdeltunerquecontieneensuinterior.Enesterangode frecuencias hayuna gran cantidadde servicios de telecomunicación. Entreotrospodemosencontrarlossiguientes:

• RadioFM:87,5a108MHz• Aeronáutica:108a117MHz• Meteorología:117MHz• Telefonía(espacio-tierra):267a272MHz• Telefonía(tierra-espacio):213a315MHz• BandaISM(rangocorto)433MHz• Serviciosdeemergencia:450a470MHz• UHFradiodifusióndeTV:470a790MHz• 4GLTEybandasGSM:800a900MHz• Dispositivoscortoalcance:863a870MHz• SistemasGPS:1227a1575MHz

El tuner RafaelMicro R820T2 es un RF front-end que, como se ha comentadoanteriormente, está inicialmente diseñado para la recepción de cualquiera de losestándaresderadiodifusióndetelevisióndigitalconmuypococonsumodeenergía.El

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chip proporciona unas buenas prestaciones en cuanto sensibilidad, linealidad einmunidadrespectoaloscanalesadyacentes.

El R8020T2 lleva incorporado en el propio chip un amplificador de bajo nivel deruido (LNA), un mezclador, un PLL (Phase-locked Loop), un VGA (Voltage GainAmplifier),unreguladordevoltajeyunfiltrodeseguimiento,eliminandolanecesidaddeusar filtrosSAW (SurfaceAcusticWave), LNA,balunyvarios LDOs (Low-DropOut)externamente.

Al recibir la señal se amplifica con el amplificador de bajo nivel de ruido, paradespués filtrarla para eliminar la frecuencia imagen y acto seguido, elmezclador seencargadetrasladarlaseñalrecibidadeRFaunafrecuenciaintermediade4.57MHz[19]yposteriormenteusaunfiltrocentradoen lafrecuencia intermediade7/8MHzde ancho de banda, para transmitirla a través del circuito impreso al RTL2832U. Laresolucióndeltuneresde1Hz.

El chip Realtek RTL2832U [19] es un demodulador COFDM (Coded OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)quesoportaelinterfazUSB.Estechiprecibelaseñalanalógica en IF que el R8020T2 le transmite centrada en 4.57MHz y se encarga detrasladarladigitalmenteabandabase,filtrarlaenBBydiezmarla.ElchipcontieneunADCenelquesemuestrealaseñalanalógicaparaobtenerunaseñaldigitalde8bits,aunafrecuenciademuestreomáximade2.8MHz(aunquesepuedellegaramuestreara3.2MHzconpérdidas).Realmente,loquehaceelchipesmuestrearalafrecuenciadelcristal externoa28.8MHzpara luegomedianteunajustedel diezmadoobtenerunatasademuestrasporsegundoalasalidamenorde2.8MHz.Finalmentelaseñalquese transmite a la salida de este chip es una señal digital de 8 bits separada en 2canalesI/Q(USB_DMyUSB_DPenelesquemadelcircuitofigura4.3).

EnlaradioRTL-SDRseincluyetambiénunsensordeinfrarrojosparamanejarlaconun mando a distancia cuando se usa para la recepción de televisión digital. Sinembargo,enesteproyectonoseráusado.

ElreceptorRTL-SDRcuentaademásconunamemoriaEEPROMqueestáconectadaporI2CalRTL2830UyalmacenalaconfiguraciónUSBdeldispositivo.

Laantenaquehemosempleadoenesteproyectoesunaantenaomni-direccionalqueseconectaaldongleUSBmedianteunconectorMCX(micro-coaxial).Eldispositivocuenta además conunESD que seencargadeproteger al tuner frente adescargaselectroestáticasdelaantena.

La interfazUSB cuando el dispositivo se encuentra enmodo “test” (que en esteproyectoserásiempre)transmiteenBBloscanalesI/Qde8bits.SifuncionaenmodonormaleldispositivoentregaporlainterfazUSBunaseñaldevídeoMPEG2-TS.

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Enlafigura4.2sepuedeapreciarlaaparienciafísicadeldispositivoylalocalizacióncadaunadelaspartesycomponentesanteriormentedescritos.

Figura4.2:PartesdelaradioRTL-SDR[4]

Lafigura4.3secorrespondeconelesquemaeléctricodelaradioSWutilizada(conlaversiónanteriordeltuner)quecomopodemosvernecesitaseralimentadacon3.3Vdetensióny180mAdeintensidad(dandounconsumode594mW).ElchipsituadoenlaparteizquierdadelafigurasecorrespondeconelR820TyelchipsituadoenlapartederechaconelRTL2832U.

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Figura4.3:EsquemaeléctricodelaRTL-SDR[20]

Endefinitiva, los parámetros configurablesde la radiopor elmicrocontroladoruordenadoratravésdelUSBbásicamentesonlafrecuenciacentralalaqueserecibe,lafrecuencia de muestreo a la que se muestrea la señal analógica, la ganancia, unacorrecciónenfrecuenciaquese implementaenpartespormillón(ppm)yelnúmerodemuestrasquesedesearecibir.Esunconjuntodeparámetrosmuylimitado,yaqueesunhardwaredebajocoste, sinembargosonsuficientespara realizarmultituddeaplicacionesconél.

ElreceptorRTL-SDRnoutilizaunhardwarelibre,esdecir,quesusespecificacionesno son de acceso público, de ahí que se tardara en descubrir su potencial.Actualmente, todavía hay cierta incertidumbre respecto a algunos parámetros de laradio,especialmenteenrelaciónalRTL2830Usinembargo,cadavezsevandisipandomásdudasgraciasalacomunidadactivaquetieneestedispositivoenInternet.

La circuitería de osciladores y demodulación introduce un cierto error en lasmedidas que crece con la tolerancia de los componentes y los efectos de latemperatura[4].Lafiguraderuidodelaantenaesde3.5dByelsistemaseencuentraadaptadoa75ohmios,noobstantesiseutilizaunaadaptacióna50ohmioselvalordeladesadaptaciónseríapequeño(<0.2dB).Enlaprácticaunapartedelanchodebanda

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delaseñalobtenidaenBBesútil,yaqueloslímitessuperioreinferiorsonpartesconmenossensibilidadyunaciertaatenuacióndelaseñaldebidaalosfiltrosusados[4].

Tabla2:PrincipalescaracterísticaRTL-SDR[4][18][19]

Parámetros Valor

Figuraderuido 3,5dB

Resolucióntuner 1Hz

ResoluciónADC 8bits

Alimentación 3.3V(180mA)

Frecuenciasoperables 24-1766MHz

Frecuenciamáximademuestreo 2,8MHz

Frecuenciaintermedia 4,37MHz

SNRQ 43dB

Ganancia 0-50dB

Los parámetros principales del receptor RTL-SDR usado, analizados a lo largo deesteapartadoseresumenenlatabla2.

4.2. Microcontrolador

4.2.1. ArduinoElproyectoArduinocomenzóenunauniversidaddeItaliaen2003comoremedioa

losaltoscostesqueteníaelhardwarepararealizarcualquierproyectodeelectrónica.Elobjetivoeracrearunaherramientasimpleydebajocostequepermitieradesarrollarproyectosdigitalesyelectrónicosapersonasquenofueraningenierosespecializados.Empezó con una PCB (Printed Circuit Board o placa de circuito impreso) con unmicrocontroladorATmega168,yunentornodedesarrolloqueseencargabaprocesarlaslibreríasdeformaquefuerasencilloprogramarelmicrocontrolador.

Arduino es un plataformade electrónicaopen-source cuyo propósito es permitirdesarrollar fácilmente hardware y software [21]. Las placas Arduino pueden leerentradasysalidasmediantediferentesinterfaces.Actualmentesegúnelpropósitodelproyectoadesarrollarhaygranvariedaddeplacascondiferentesmicrocontroladores,diferentesinterfacesdecomunicaciónydiferentediseño.

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Para programar el funcionamiento de una placa Arduino se usa el lenguaje deprogramacióndeArduino,aunquehoyendíaconlagranmayoríadeplacassepermiteprogramarenPythonoendirectamenteC.EllenguajeArduinoestábasadoenC++.

Comoposibilidadparaeldesarrollodeesteproyectosevaloróelusode laplacaArduinoYunmostradaenlafigura4.4queestáconcebidaparasuusoenaplicacionesdeIoT(InternetofThings).TienecomomicrocontroladorunATmega32u4de8-bitsa16 MHz, dispone de 20 pines digitales y 12 entradas analógicas para múltiplesfunciones, así como botones de reset. La placa tiene una antenaWi-Fi incorporada,además de una entrada de cable Ethernet y se puede conectar a otros dispositivosmedianteuna interfazUSBa laque sepuede conectardirectamentepor ejemploelreceptorRTL-SDR.

Figura4.4:ArduinoYun[21]

Unode los problemas para el desarrollo de este proyecto con este hardware esqueelpaquete“RTL-SDRSupportfromCommunicationsSystemToolbox”parausarenMATLABySimulinknoescompatibleconestaplaca,debidoaquenotieneunsistemaoperativocompatibleconelpaquete.

Otroproblemavieneporquelasprincipales libreríasydriversenPythonnoestándesarrolladas para este hardware en el que los buses de datos son de 8 bits. Laslibrerías en C vienen empaquetadas mediante la aplicación CMake la cual no estádiseñadaparaarquitecturasdeprocesadormenoresde32-bits.

Porotrolado,elmayorfactorlimitantequesehubieraencontradoposiblementesise pudiera usar el receptor RTL-SDR finalmente, hubiera sido la velocidad delprocesador(16MHz)queesdemasiadocercanaalafrecuenciamáximademuestreo

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del receptor RTL-SDR (casi 5 veces menor). En consecuencia, en cuanto se hubierarequeridorealizarunprocesamientodelaseñalalafrecuenciamáximademuestreoelprocesadorsehabríasaturadoydadoquelaaplicaciónadiseñarrequiereunanchodebandamuy grande, cambiar frecuencia demuestreo por unamenor que lamáximaposible(2,8MHz),hubierasupuestomáslimitacioneseneldiseño.

DadoqueconlaplacaArduinoYunsecomprobóqueerainviableeldesarrollodelproyecto se testeó el diseño con una placa Raspberry Pi que se analizará con másdetalleenelapartado4.2.2.

4.2.2. RaspberryPiLaRaspberryPiesunordenadordiseñadoenunasolaplacatambiénllamadoSBC

quetieneuncostemuybajoyseempezóadesarrollarenInglaterraenelaño2006.Laprimera generación fue la Raspberry Pi 1ModeloB, que fue lanzada almercado enfebrerode2012.ElfabricanteydesarrolladordeestosdispositivoseslaRaspberryPiFundationquevadesarrollandonuevasversionesmáscompletasypotentesañotrasañodesdelacreacióndelaprimeraRaspberryPi.

Suéxitosedebeprincipalmenteasubajocoste,yaquenosupera los40eurosyademástieneunacomunidadmuyactivaquepublicamuchosproyectosdesarrolladosconestosdispositivosenInternet.EsmuyusadoporlacomunidadmakeryconstituyelagranalternativaparamuchosproyectosrespectoalasplacasArduino,debidoaquetiene mucha mayor capacidad de procesamiento, aunque por otro lado al ser unordenadorconsumemuchosmásrecursosinnecesariosqueunasimpleplacaArduinopararealizartareassencillas.Además,alserunpequeñoordenador,sisedesconectadirectamentelaalimentaciónsepuedellegaradañarelsistema,sinembargoparaunmicrocontroladorArduinoestonoconstituyeunproblema.

ElhardwareutilizadoparaesteproyectoqueseencargarádecontrolarelreceptorRTL-SDRydeprocesarlasseñalesobtenidasdelamismaserálaRaspberryPi3modeloBqueconstituyelatercerageneracióndelaRaspberryPimostradaenlafigura4.5.

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Figura4.5:RaspberryPi3modeloB[22]

Lasprincipalescaracterísticas[22]nuevasqueimplementaelmodeloutilizadoeneldiseñorespectoasusantecesores,son:

• Procesadora1.2GHz64-bitquad-coreARMv8CPU• 802.11n• Bluetooth4.1BLE(BluetoothLowEnergy)

Aligualquealgunosdesusantecesorestiene:

• 1GBRAM(RandomAccessMemory)• 4puertosUSB• 40puertosGPIO(Generalpurposeinput/output)• PuertoHDMI• PuertoEthernet• EntradadeaudioyvídeoatravésdeJackde3.5mm• CSI(CameraSerialInterface)• DSI(DisplaySerialInterface)• RanuraparatarjetaMicroSD• NúcleoGráficoVideoCoreIV3D

ComosistemaoperativoseusaráRaspbianJessieLitequeesunsistemaoperativobasadoelLinuxDebian.RaspbianeselOSrecomendadoporelfabricanteyunodelosmás extendidos para estos dispositivos. Dicho sistema operativo no tiene interfazgráfica en la versión “Lite”, y es ejecutado sobre la tarjeta micro SD donde se hainstaladounaimagendelsistemaoperativo.Eldiseñodelaplacanotienediscoduro,todoelsoftwareydatossonalmacenadosdirectamenteenlatarjetamicroSD.

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Paramanejar laRaspberryPi sehabilitaráel servidorSSH (SecureShell) comoseexplicaenelAnexoI,quecrearáuntúnelparapodermanejareldispositivodemaneraremotausandocualquierotroordenadorconectadoalamismared(odirectamenteala Raspberry) usando por ejemplo, el terminal (para OS X) o herramientas como“Putty”para(Windows).

4.3. Simulink/MATLABSimulinkesunentornodedesarrollodediagramasdebloquespara lasimulación

multidominioyeldiseñobasadoenmodelos.Admiteeldiseñoylasimulaciónaniveldesistema,lageneraciónautomáticadecódigoylapruebayverificacióncontinuasensistemasembebidos[23].

Este entorno tiene una interfaz que se maneja de manera bastante intuitiva yademáspermitelacombinacióndebloquesdelentornovariadosconcódigoMATLABparalaintegracióndefuncionesconcretas.

Simulink será utilizado en este proyecto como una herramienta de testeo ydepuración con la que observar la parte del espectro electromagnético que se va aanalizar,en tiemporealydemaneracontinua.Paraconseguirdichopropósitoseharealizado un programa usando los paquetes para Simulink “RTL-SDR Support forCommunication System Toolbox” que nos permite usar el receptor RTL-SDR en elentornoSimulinkyMATLABcombinadoconelpaquete“DSPSystemToolbox”quenosproporciona el bloque “Array Plot” para poder analizar correctamente las señales,mostrandoanchosdebanda,máximosymás información, ademásdeotrosbloquespara el tratamiento de señales. El diagrama de utilizado usado se puede ver en lafigura4.6.

Figura4.6:Programaparaanálisisdelabandade700MHzconelreceptorRTL-SDR

Este diseño es parecido al que se usará en el programa final realizado en otroentornodedesarrollo.Estábasadoenlosanalizadoresdeespectrosdebarrido.Enlafigura 4.7 se puede ver un diagrama en el que se muestra el funcionamiento delprogramaanivelconceptual.

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Figura4.7:Funcionamientodelprograma[4]

El receptor RTL-SDR al tener una frecuencia de muestreo demasiado baja,comparadaconelanchodebandaamedir,obligavariarlafrecuenciacentralalaquerecibeelreceptorpararealizarunbarridosisequierenobservaranchosdebandamásgrandes que la frecuencia de muestreo del receptor. En la figura 4.6 el bloque“incrementadordefrecuencias”seencargadeincrementarlafrecuenciadelreceptorensaltosdefs(frecuenciademuestreo)hastallegaralfinaldelabandadondevolveráalafrecuenciainicialdelabandamonitorizada.

Con el receptor RTL-SDR se reciben las muestras complejas I/Q. Para obteneramplitudesenunidadesnaturalesapartirdelasmuestrasI/Qseutilizaelmódulo‘abs’delaFFT.Elprogramausaunamatrizdegrantamañoenlaquecadaunadesusfilascorrespondealacapturadelespectrode2,8MHzdeanchodebandaencadaunodelos saltos de frecuencia central. Como se va a detectar tanto transmisionespersistentescomoespontáneasmedianteelbloque“maximum”seobtendráunmax-holddelespectro.Actoseguidoconelbloque“reshape”concatenamostodaslasfilasenunsolovectorparaobtenerelanchodebandacompletodelabandaqueseestámonitorizando.EstevectoresconvertidoadBm encadaunadesusposiciones. Enúltimo lugar, se utiliza un bloque “array plot” paramostrar el vector completo conposibilidaddevisualizaranchosdebandadelasseñalesyelvalordelosmáximos.

Esteprogramarealizaunbarridoenelquesecapturan100muestrasencadaunadelasfrecuenciascentralesporlasquepasa(sub-bandas),manteniéndoselosvaloresmáximosde lasmuestra.Elbarrido se realizaenbucledemaneraque sepuedavercontinuamenteelespectroconunatasaderefrescoentre15y20segundos.

En [4] se pueden encontrar gran cantidad de ejemplos y aplicaciones con elreceptorRTL-SDRpararealizartantoconMATLABcomoconSimulink.Enlosarchivosadjuntosdel librosepuedeencontrarelprograma“sweep.m”querealizaunbarrido

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de banda ancha lo cual puede ser de gran utilidad para este proyecto a la hora deverificarvalores.

Almedirelespectrousandounbarridoenfrecuencia,existenintervalosdetiempoenloscualescadaunadelaspequeñasbandasanalizadasnosonmedidas,hastaquelafrecuenciacentraldelreceptorvuelveapasarporlasmismas(sellamarán“puntosciegos”).Estosignificaquetodasaquellasseñalesquesetransmitanendichasbandas,durante el intervalo en el cual se vuelve a refrescar la detección de una banda, noserándetectadas.

4.4. ProgramaenCElprogramaprincipalquesevaausarparaesteproyectoestáprogramadoenC.

DichoprogramaestáempaquetadousandoCMakequeesunafamiliadeherramientasopen-source multiplataforma que permiten la construcción, testeo yempaquetamientodelsoftware.Eselencargadodecompilartodosloscriptsyficherosparanecesariosparacrearlosmakefilesnativosnecesariospudiendoejecutarloenunentornoaeleccióndelusuario[24].

Paraelmanejodearchivosy carpetaseneldispositivo sehausado laaplicaciónFileZilla,queesunclientegráficoFTP.

Elprogramautilizadoquesellama“rtl_power.c”yesunaaplicaciónquevieneenlalibrería“rtl-sdr”deOsmocom[18].Adichoprograma,selehanrealizadounaseriedemodificacionesparaadaptarloalospropósitosdelsistemaquesequierediseñar.

El programa rtl_power está programado en C y está diseñado para medir elespectro en anchos de banda grandes (mayores que la frecuencia de muestreomáximadelRTL-SDR).SeencargadedetectarautomáticamenteeldispositivoRTL-SDRconectadoalhostenelqueseestáejecutandoelprograma.

El programa dispone de varias opciones que determinan como se realizará elbarridoquedeberán introducirseen la instruccióndeejecuciónconformealanexo I.Además,sehanañadidootrasopcionesparadeterminaralgunascondicionesparaelenvío de alarmas. Las posibles opciones que se pueden modificar al ejecutar elprogramasonlassiguientes:

- f: parámetro con el que se determina la frecuencia en la que se empieza elbarrido, la frecuencia final del barrido y la precisión en frecuencia de dichobarrido.Ennuestrocasoseejecutarácon685M:735M:10kparaqueanalicelabanda de 700MHz con una precisión de 10 KHz, que es suficiente para elpropósitodeesteproyecto.

- i: conesteparámetrosedeterminaráel tiempoquesedeseaquehayaentrebarridos de frecuencia. Si el receptor RTL-SDR está continuamente enfuncionamientosecalientademasiado,provocandoquelasmedidasseancada

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vezmenos fiables y aumentando la posibilidad de avería del dispositivo, porello, se ha escogido un tiempo entre barridos de 10 segundos, que es elutilizadoenelprogramapordefecto.

- e:elparámetro“e”seutilizaparadeterminarencuantotiempodebefinalizareltiempo.Comoenelsistemadiseñadosequierediseñarparapermanecerenmodostandalonesedejaráelvalorpordefecto,queesinfinito.

- d: este parámetro es usado para identificar el dongle con el que ejecutar elprograma,peroennuestrocasosiemprehabrásolounoconectado,portantonoseusaráesteparámetro.

- g: este parámetro determina la ganancia del receptor, que por defecto estáconfigurado para que el receptor use AGC (ActiveGain Control) sin embargoparanuestropropósitoutilizaremosunagananciafijade40dB.

- p: es el valor que tieneel error del cristal del receptor enpartes pormillón.Este parámetro no es utilizado, se usa el valor guardado en la memoriaEEPROMdelreceptor.

- w: parámetro que determina la ventana que da forma a los datos antes derealizar la FFT. Comoel propósitoprincipal del sistemaes tener fiabilidadenpotenciayquenosepierdanposibles transmisiones,seutilizaráunaventanarectangular.

- c:parámetroqueconfiguraelporcentajedesolapamientoentreventanas.- s: parámetro adicional creado para fijar el umbral por encima de lamedia a

partirdelcualseescribeunaalerta.Pordefecto,estáfijadoa20dBporencimadelamedia.

- q:parámetropara introducirunsuelo fijoapartirdelcualsesumaelumbralfijadoenelparámetro“s”.Esdecir,sielparámetro“q”es-40yelparámetro“s” es 20 toda aquella señal que se detecte demás de -20dBm de potenciacrearáunaalarma.

- F:parámetroquevadel0al9indicaelnumerodepuntosusadosporunfiltroFIRdediezmado.Esteparámetronoseráusadoeneldiseño.

- P:parámetroparaconfigurarlasfunciones“max-hold”enlaquemantienenlosmáximosvaloresdetectadosenlamedición.

- D:funciónparahabilitarlarecepciónenmododirectsamplingquepermitelarecepcióndefrecuenciasHF(Highfrequency),perorequiereunamodificaciónhardwareynoseránecesarioparaestediseño.

- fichero: se puede pasar como parámetro de la instrucción un nombre defichero (existente o inexistente) en el que se escribirán todos los datos desalida.

La ventana rectangular proporciona una resolución en frecuencia aceptable,suficiente para el propósito del sistema, y tiene un nivel de lóbulos secundarios un

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poco alto, lo cual no da seguridad de que máximos próximos entre sí no seránsolapadosporloslóbulossecundarios.Enlafigura4.8sepuedeobservarlaformadeunaventanarectangularysutransformadadeFourier.Estaventanatieneunarelaciónlóbuloprincipal-secundariode13,3dB,el lóbuloprincipal tieneunanchodebandaa3dBde0,027xπrad/muestra[25].

Figura4.8:Formaventanrectangular[25]

En laecuación7sepuedeapreciar lafunciónventanarectangularv(n)aplicadaalosdatosentregadosporelreceptorantesderealizarlaFFT.Estaventanaequivaleeneldominiodeltiempoanorealizarningúncambioenlasmuestrasobtenidasenbandabase,exigiendomenospodercomputacionalqueelrestodeventanas.

𝑣 𝑛 = 1 (7)

En cuanto al nivel de solape de las muestras obtenidas, como se advirtió en elanálisisdel receptorRTL-SDR,elnotoda laseñalenbandabaseesútil,por tantosepuedeutilizarunporcentajedesolapede20%conelobjetivodemejorarlacalidaddelespectrofinalobtenidoconsiderablemente,ynoseobserveunroll-offenloslímitesdecadapequeñaventanacapturada.

Sehamodificadoel programa inicial paraquemuestreúnicamentealertas, y lasescriba en un fichero, o bien se muestre por línea de comandos. Estas alertas sonmensajes,enlosquesemuestralamediadetodoelanchodebandaobienelsueloalque se ha fijado con el parámetro “q”, las transmisiones (máximos) que han hechosaltarlaalerta(comomuchosemuestranhasta10máximosdiferentes)ylahoraalaquehaocurridolaalerta.

Paraquesalteunaalarmasetienequehaberdetectadounniveldepotencia20dB(por defecto) mayor que la media de potencia obtenida en toda la banda defrecuencias analizadas en el barrido anterior o bien aquel umbral indicado con elparámetro “-s” al realizar la instrucción. En la alerta se mostrarán el mayor de losmáximosdetectadosencadaunadelasventanascapturadas,quesuperenelumbralqueacabamosdecomentar.

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Portantounaposibilidaddecomandoqueseusaráparaejecutarlaaplicaciónserá:

rtl_power-f685M:735M:10k-g40-c0.2datos.csv

cuyafunciónfinalserárealizarunbarridodesde685MHza735MHzconmuestrascada10KHzconunagananciade40dBenelreceptorRTL-SDR,usandoventanasconfiltradorectangularyunsolapedel20%entreventanas.Lasalarmasdetectadasseránescritas en un fichero llamado datos.csv. Dicho será compartido con un servidormedianteelprogramadescritoenelapartado4.5.2.

Alejecutarelprogramasemuestralainformaciónbásicadecómosevaarealizarelbarrido,ylaconfiguracióndeldispositivo,comosepuedeverenlafigura4.9.

Figura4.9:Ejemplodeejecucióndelprogramartl_power

Porúltimosepuedeincluirlainstruccióndeejecuciónenelfichero“/etc/rc.local”de las Raspberry Pi para que siempre que se encienda el dispositivo y se tenga elreceptor RTL-SDR conectado, comience automáticamente el programa y escriba unficheroeneldirectorioraíz.

4.5. NodeJS Node.js es un framework en tiempo de ejecución multiplataforma, de código

abierto.Estádiseñadoaprioripara lacapadeservidor.El lenguajedeprogramaciónutilizadoesJavaScriptquerealizasuejecuciónenunsolohilo.Fueconcebidoparalaconstruccióndeaplicacionesderedescalables.

Utiliza una arquitectura orientada a eventos y está basado en el motor V8 deGoogle.EstemotorestáescritoenC++ycompilaelcódigofuenteJavaScriptacódigomáquinaen lugarde interpretarloentiemporeal.AunqueestábasadoenJavaScripttienealgunosmétodosdesoporteenC++[26].

Una de las funcionalidades más interesantes, es la posibilidad de incorporar alentornomódulosdesarrolladospor terceros.Losmódulosdesarrolladospor terceros

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se implementan siguiendo las especificaciones CommonJS para módulos. Estosmódulospuedensuponerunniveldeabstracciónyaqueimplementanfuncionalidadesmiddleware en aplicaciones web como el framework Express. Para instalar estosmódulos se utiliza npm (Node Package Manager) que se encarga además de lainstalaciónde la compilación,actualizaciónyorganizaciónde lasdependenciasde laaplicación.

Para el proyecto realizado, se van a utilizar dos programas diferentes, unaaplicaciónclientequeseejecutaráenlaRaspberryPiconectadaalaredyunservidorsencillo en un host conectado a Internet con una IP fija. El cliente y el servidor seconectarán usando un socket sobre TCP con la funcionalidad quemuestra la figura4.10,esdecir,elclientesimplementeenviarálasalarmasdetectadasalservidoryestelasmostraráporpantalla.

Figura4.10:Arquitecturacapadered

4.5.1. ServidorElservidorconsisteenunaaplicaciónNodeJSejecutadadesdeunhostremotoque

crea un pequeño servidorweb que recibirá los datos de las diferentes Raspberry Piqueesténejecutandoelprogramadelcliente.

Pararealizardichoservidorloprimeroquehahechoesimportarelmódulo“net”con el cual se creará el servidor TCP con la dirección IP del host en el que se estéejecutandoelprogramayelpuertolibredeseado,ennuestrocasoseráel80.

Lasfuncionalidadesdelprogramasonbastantesimples.Enlafigura4.11sepuedeapreciarelcódigofuentedelafunciónprincipaldelprogramaservidor.

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Figura4.11:ServidorNodeJS

La función entera mostrada se corresponde con un servidor TCP en el que semuestranporconsolatodos losmensajesrecibidos.Además,cuandoseconectaosedesconectaunclientealsocket,semuestrala imputaciónidentificandoalclienteporsudirecciónIPyelpuertousado.

4.5.2. ClienteElclienteconsistiráunpequeñoprogramaenNodeJSenelquesecrearáunsocket

con el servidor que establecerá una conexión TCP entre cliente y servidor, para elenvíodelasalarmaspreviamenteregistradasenunficheroporelprogramaenC.

Elprogramaseencargarádeenviar lasúltimasalarmas registradasenun ficherocuando se detecte que ha sido editado. El consumo de CPU de la Raspberry Pi porpartedeesteprogramaserámuypequeñoyademásalestarenNodeJSelprogramaseejecutaráenunsolohilo,entoncessoloseusaráunnúcleodeloscuatroqueposeelaRaspberryPi3modeloB.

4.5.3. PM2PM2esunmanejadoravanzadodeprocesos[27]queestadiseñadoparaNodeJSy

permiteejecutarenmodostandalonecualquierscriptdeNodeJSlocualformabapartedelosrequisitosinicialesdelsistema.

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Cuando se ejecuta un programa usando PM2, muestra el rendimiento delprogramaenseñandoporlíneadecomandoscuantaCPUycuantamemoriaconsumecomosepuedeverenlafigura4.11despuésdeejecutarelprogramacliente.

Figura4.12:Interfazaliniciaraplicaciónconpm2

Medianteestegestordeprocesos,sepuedeverentodomomentoelestadodeloshilos en todo momento y también se pueden ver todos los logs que muestran losprogramas en ejecución. Además, permite configurarlo para que se inicieautomáticamenteelprogramaalencenderlaRaspberryPi.

4.6. PresupuestoDurante el desarrollo de este proyecto todos los programas utilizados para el

diseño e utilización del sistema no han supuesto coste alguno para el alumno. Lalicencia para el uso del softwareMATLAB 2017a es gratuita para estudiantes de laUniversidadPolitécnicadeMadrid,sinembargotendríaelcostereflejadoenlaTabla4para cualquier empresa sin licencia previa. El código utilizado de la librería deOsmocom [12] es software libre pudiendo ser redistribuido y modificado bajo lalicenciaGNUGeneralPublic.

La inversión necesaria para este proyecto viene determinada por el coste delhardwaredesglosadoenlaTabla2yporelcostedelsoftwarereflejadoenlaTabla3:

Tabla3:PresupuestoHW

Unidades Precioporunidad

RaspberryPi3 1 40€CarcasaRaspberryPi 1 7€

MicroSD8GB 1 5€RTL-SDR 1 15€

Totalsistema 1 67€

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Tabla4:PresupuestoSW

Unidades PrecioporunidadMATLAB 1 119€

SignalProcessingToolbox 1 35€CommunicationsSystemToolbox 1 35€

DSPSystemToolbox 1 35€Simulink 1 35€

Totallicencias 1 259€El coste total del dispositivo es de 67€ cumpliendo los requisitos de diseño

propuestos inicialmente, en los que se proponía que coste del sistema debía sermenorde100€paraconsiderarlounsistemadebajocoste.

Sinembargo,elcostetotaldedesarrollodelproyectoincluyela licenciadetodoslospaquetesdeMATLAB2017ausadosparaeltesteodelsistema.Portanto,elcostetotaldelproyectoascenderíaa326€.

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5. ValidaciónPara lavalidacióndel sistemadiseñadosehanusado2escenariosdiferentes, los

cualesyahansidoanalizadosencuantoasuscaracterísticasparalapropagacióndelaseñalenelapartado3.3deestamemoria.

Enamboscasosseutilizarácomotransmisordepruebalasradiosdelostrenesdela línea 2 deMetro deMadrid. Este tipo de trenes pueden tener 2 tipos de radiosembarcadas diferentes para establecer las comunicaciones tren-tierra. Una radio esdualyaqueutilizalabandade700MHz(685MHza735MHz)ylabandade1700MHz(concretamente entre 1675MHz y 1695MHz). Para la recepción de señal tiene unasensibilidad de -80dBm. Tiene una potencia de emisión de 33dBm en la banda de700MHzyde29dBmenlabandade1700MHz.Elotrotipoderadiosolopuedeusarenlabandade700MHzcon lasmismasespecificacionesque la radioanteriorparaestabanda. Ambas estaciones radio, deben ser alimentadas con 12 Voltios y utilizan elestándar802.11goperandosiempreenmodocliente.Comoeldiseño realizadoestáfocalizado inicialmenteen ladetecciónde transmisionesen labandade700MHz, secentrará el análisis exclusivamente en dicha banda. La figura 5.1 y la figura 5.2 sonfotosdeunaestaciónradiorealinstaladaenuntren.

Figura5.1:Radiotransmisorainstaladaenuntrendelas3000

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Figura5.2:Radioinstaladaenuntrendelas3000

Eltransmisorestáconectadoaunaantenaomnidireccionalquesesitúaalamitaddeltren,enlacubierta.Enlafigura5.3semuestraelaspectodelradomodelaantenatransmisorainstaladaeneltechodeltrenconformaredondeadaydecolorblanco.

Figura5.3:Antenaparacomunicacionestren-tierrainstalada

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En los trenes de la línea 2 se encuentran instaladas antenas diferentesdependiendo de si se utiliza una estación radio dual o una radio de 700MHzúnicamente.

Enlatabla5semuestralascaracterísticasdelaantenaDualqueoperaenlabandade700MHzyde1700Mhz.

Tabla5:Característicasantenadual

Característicasantenadual Valor

BandadeFrecuencias(MHz) 685-735/1675-1695

Gananciaen700MHz 1,5dB

Gananciaen1700MHz 2.5dB

Enlafigura5.4sepuedeapreciareldiagramaderadiacióndelaantenadualenlabandade700MHz.

Figura5.4:Diagramasderadiacióndeantenadual

En la tabla6sereflejan lascaracterísticasde laantenautilizadacon la radioquetransmiteúnicamenteenlabandade700MHz.

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Tabla6:Característicasdelaantenade700MHz

Característicasantenadual Valor

BandadeFrecuencias(MHz) 685-735

Gananciaen700MHz 0-1dB

Enlafigura5.5semuestrandiagramasderadiacióndelaantenautilizadausandounaradioen700MHzparaelplanoverticalyelplanohorizontal.

Figura5.5:Diagramasderadiacióndeantenade700MHz

Las radios utilizadas para las comunicaciones tren-tierra transmiten usando elestándar 802.11g el cual se ha analizado en el apartado 3.4 de esta memoria. Sinembargo, estos trenes únicamente utilizan los canales 7, 9 y 13 del estándar. En lafigura5.6sereflejacómosetrasladanloscanalesdelestándar802.11gdelabandade2,4GHzalabandade700MHz.

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Figura5.6:Canalesutilizadosporlostrenesenlabandade700MHz

Estos canales serán los que se monitorizarán usando el sistema diseñado, parasabersilostrenesestántransmitiendoono.

5.1. Escenario1:CocheradeMetrodeMadridUno de los escenarios donde fue probado el programa para la validación del

proyectofuelacocheradeMetrodeMadriddelalínea2,queseencuentracercadeVentas(Madrid).Eledificiodondesemidióparavalidarelsistemaesunanaveconunaligeracubierta,porloqueserecibenalaperfecciónmuchasseñalesprocedentesdelexterior.

Paralatomademedidassehanutilizadotresequiposdiferentes.Enunordenadorse ha conectado un receptor RTL-SDR donde se ha ido monitorizando la banda de700MHz continuamente mediante el programa de Simulink descrito en el apartado4.3,conelfindeverificarlasalarmasenviadasporelsistemadiseñado.

Por otro lado, se ha utilizado un analizador de espectros Rohde & Schwarz quefuncionaentre9KHzy13,6GHzcomoelquesemuestraen la imagen5.7,quesehadejadomonitorizandolabandadeinterésconlafunciónmax-holddemaneraquesequeden fijasen lapantalla todasaquellas transmisionesquehayan tenido lugary sehayancapturadoenlabandamedida.

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Figura5.7:Analizadordeespectrosutilizado

Parapodermedirelespectrosehaconectadoalanalizadorlaantenadelafigura5.8queesdealtadirectividadyestádiseñadaparaoperarentre0,5y7,5GHz.

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Figura5.8:Antenaconectadaalanalizadordeespectros

Enlaimagen5.7sepuedecomprobarcomoaparecenpequeñospicosenlabandaentre 715 y 735 MHz que se corresponden todos aquellos probe request que valanzandolaestacióncliente(eltren)enelcanal13alolargodeltiempo.

Como tercer equipo demedida se ha utilizado el dispositivo propuesto en esteproyecto, que consta de un receptor RTL-SDR conectado a una Raspberry PialimentadausandounabateríaexternaUSBparatenermovilidaddurantelaspruebascomosemuestraenlafigura5.9.

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Figura5.9:Dispositivodiseñadoenescenario1

Al ver el espectro usando el ordenador se observó que en torno a 698MHz y706MHz se detectaba una señal continuamente a lo largo del tiempo. Estas señalescorresponden al canal 49 y 50 de TDT (TelevisiónDigital Terrestre) respectivamentecentradosen698y706MHz.Estosepuedeapreciarperfectamenteenlafigura5.10sepuedenverdichoscanalesenlaparteizquierdadelaimagen,mientrasenelcentrosepuedeobservarunatransmisióncapturadadelcanal13entre724y727MHzconunapotenciamáximade-4,9dBm.

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Figura5.10:Espectroenescenario1entre685y760MHz

Dadoquelapotenciadelaseñaldetelevisiónesdelmismoordendemagnitudquelas transmisionesde los trenes, no sepuede fijar unumbral de alarmapara toda labanda.Porellosehaañadidoalprogramalaopcióndeprecargarbandasdeexclusión(hasta3diferentes).Estasbandasconstituyenpuntosciegosaefectosdelprograma.Enesteentornoconcretamente,secrearándichasbandasdeexclusiónqueacotaránlastransmisionesdeloscanalesdetelevisióndetectadas.

Enesteescenarioseejecutóelprogramaentre715y735MHzparamonitorizarelcanal13,conunagananciade40dBenelreceptorRTL-SDR,fijandoelumbrala15dBpor encima de la media de potencia de la banda entera y usando una ventanarectangular.Losresultadosobtenidosdurante1minutodeejecuciónfueronlosquesemuestranenlatabla6.

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Tabla7:Resultadosdemediciónconrtl_power

Hora Suelo(dBm) Potenciadelmáximo(dBm)

Frecuenciadelmáximo(MHz)

08:32:06 -29,69 -10,14 717

08:32:16 -28,59 -12,03 721

08:32:26 -28,57 -11,32 724

08:32:56 -29,57 -12,77 723

Dondeelvalorde“Suelo”eselvalormediodelaseñalentodabandamonitorizadaen el barrido anterior. Si detecta transmisiones puede que el valor de la media seincrementeperodadoqueelanchodebandamonitorizadoesmuchomayorqueeldelastransmisionesestarvariacionesnoafectarándemasiadoalvalordelumbral.

Según la páginawebdeCisco [28] para las redes 802.11 en los equiposCisco elintervalo entre paquetes probe request enviados por defecto es de 500ms, sinembargo, se puede configurar entre los 100 y los 10000milisegundos. Como no sesabeelvalorexactousadoporestosequipos,nosepuededeterminarexactamentelafiabilidaddeldetector.Silostransmisoresestuvieranusandoelvalorpordefecto(0,5segundos)dadoquesetardaentornoaunsegundoenhacerunbarridodelabandaentera motorizada (de 715 a 735 MHz) y se utilizan 15 saltos de frecuencia, laprobabilidaddedetectarunbeacon esde2/15aproximadamente.Por tanto, si solohay un tren transmitiendo, serán necesarios 8 barridos demedia para detectar unatransmisión.

5.2. Escenario2:EstacióndeMetrodeCanalElsegundoescenariodondesehatesteadoelsistemaeslaestacióndeMetrode

Canal.Dentrodelaestaciónserealizaránlasmedidasenelandéndelalínea2.Comose han tomado lasmedidas a decenas demetros bajo tierra, en este caso no se hadetectadoprácticamenteninguna señal en la bandade700MHzajena al sistemadecomunicacionestren-tierrautilizadoporlostrenes.

Usando el programa de Simulink descrito en apartado 4.3 se ha observado queaparecen transmisiones tren-tierra iguales a las detectadas en el escenario anteriorcuando un tren entra en la estación deMetro. En la figura 5.11 se puede ver unacaptura del espectro donde se aprecia una transmisión entre 693,8 y 696,7MHz esdecir, de prácticamente 3MHz de ancho de banda, parecido a lo encontrado en elescenario anterior. La captura mostrada fue realizada con un tren presente en elandéndelaestaciónmientrassemedía.

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Figura5.11:Espectroestacióndemetrocontrenpresente

Si se sustituyen valores, los 40 dB de ganancia de receptor, 34dBm de PIRE deltransmisor y la potenciamáxima recibida que es 7,9dBmen la ecuación2 se puedecalcularlaspérdidasquehasufridolaseñaleneltrayectoqueenestecasoserían66,1dB.Sisesustituyeasuvezenelmodelodepropagaciónenelespaciolibreparaestamuestraseobtieneunadistanciadelordende60m locuales30metrosmásque ladistancia realdonde se tomaron lasmedidas.Además, laspotenciasmáximasde lastransmisiones detectadas se ha observado que varían hasta más de 10 dB, paradistanciasigualesentretransmisoryreceptor,locualsetraduceenunadiferenciadecientos de metros sustituyendo en el modelo de propagación en espacio libre. Portanto, este sistema se puede afirmar que no sirve para aproximar distancias entretransmisoryreceptor.

Como se puede observar al no haber prácticamente otras transmisiones en labandade700MHz fijarelumbralesmás trivial, ademásnoseránecesarioelusodebandas de exclusión. Para este entornopor ejemplo, unaposibilidad sería poner unumbralfijoentornoa0dBmdepotencia.

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6. Conclusionesylíneasfuturas6.1. ConclusionesTras las pruebas realizadas con el programa diseñado podemos concluir que el

diseño constituye una solución real y barata para la detección de transmisionesbasadasenelestándar802.11g.Sinembargo,elsistemadiseñadoparaquefuncionecorrectamenterequiereunestudiodelespectroconanterioridadenelentornodondese localizará el dispositivo. En este estudio hay que determinar dos parámetroscríticos:

- Bandas de exclusión: Si hay otro servicio de radiocomunicación que usa labandaquesepretendemonitorizarseránecesarioacotarlodemaneraqueelsistemanomandefalsasalarmaspor la influenciadeestossistemas.Segúnelprogramadiseñadosepuedendefinirhasta3bandasdeexclusión.

- Umbral:paradeterminarelvalordelumbralcorrectamentehayqueconocerelnivel de ruido del sistema en el entorno donde se va a implantar, y ademáshabráqueasegurarseque su localizaciónes lo suficientemente cercanaa lostransmisorescomoparaquelaseñalsupereelumbralimplantado.

Una forma de hacer estas dos calibraciones es empleando un analizador deespectro,quesoloseusaráunavez,paraponerenmarchaelsistemadedeteccióndebajocoste.Luegoyaéstefuncionarádeformaautónoma.

Estos parámetros serán los que determinarán en gran medida la fiabilidad delsistema.

En cuanto a la probabilidad de detección de las transmisiones hay que tener encuenta que este sistema tal y como se ha planteado realiza un barrido cada 10segundos.Comocadabarrido,tardamenosdeunsegundosepuedeconsiderarqueelespectro se estaobservandomenosdel 90%del tiempo, lo cual hayque tenerlo encuenta. Para sistemas en los que las transmisiones ocurran cada mucho tiemporespectoaal intervalodebarridode10segundos,puedequeeldiseñoproporcioneunafiabilidaddemasiadopobreparalasespecificacionesrequeridasdependiendodelproyecto.

En cualquier caso, el intervalo entre barridos nunca debe ser igual al intervaloentre transmisiones, ya que si el dispositivo detector y el transmisor no estánsincronizados, nunca se detectarían las transmisiones del transmisor que no estésincronizado. Tampoco debe ser ni un múltiplo del intervalo entre barridos, ni undivisorenteroelintervaloentretransmisiones.Sinembargo,siseañadeunapequeñadiferencia,lastransmisionesacabaríansiendodetectadas.

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6.2. LíneasfuturasUn punto a abordar en futuras ampliaciones y mejoras de este proyecto es el

encapsuladodelhardware,utilizándoseentodoslosdispositivoslascarcasasoficiales.Sisequieredejarelsistemafuncionando24x7(24horaslos7díasdelasemana)yenentornosmásomenoshostilessedeberádiseñarenelfuturounencapsuladoacordeenelqueelreceptorRTL-SDRylaRaspberryPiestebienintegrados.Sisedecideusarun barrido más frecuente que el originalmente propuesto será necesario laincorporación de disipadores en el dispositivo, tanto en el receptor como en laRaspberry Pi para que no se deteriore demasiado la señal recibida ni se dañe eldispositivo.

Unade lasprincipales limitacionesdel sistemadiseñado, esqueel receptor solopuede trabajar en bandas de frecuencias entre 24 y 1766MHz, pero esto se puedecambiarconelusodeundownconverter.Implementandoestedispositivojuntoconelreceptor RTL-SDR se puede cambiar el rango de frecuencias en las que opera elsistemaporotrasmásaltas.

Otraposibilidadencuantoa lamejoradelascaracterísticasRFdeldiseño,puedeserelusodeotrodispositivoSDR.PararealizarelproyectoconotroSDR,soloseríannecesarias unas pequeñas modificaciones en el programa de barrido utilizado, quesuponeunadelasgrandesventajasdelusodetecnologíaSDRparaestesistema.

Actualmente, la calidad proporcionada por este dispositivo usando el programadiseñado, no es suficiente para realizar un cálculo aproximado de la distancia entretransmisory receptorusando losmodelosdepropagación.Sinembargo,estopuedeconstituirunalíneadeinvestigacióndecaraalfuturo,yaseaconunreceptorRTL-SDRu otro receptor SDR, para implementar una herramienta que calcule las distanciasentreeldispositivoyeltransmisormediantelapotenciadetectada.

De cara a comercializar un producto como el diseñado, mejoraría elfuncionamientosiseimplementaraunacapaderedenlaaplicaciónmáseficiente,enla que se integren las alarmas enviadas por el programa en C rtl_power.c con unaherramientadeadministraciónenelladodelservidor.Estosepuedehacerusandoelframework Gearman [29] también y comunicar directamente el programa con otroprogramaoprocesoenotrolenguajedeprogramacióndiferentequeofrezcaunmejormanejodelacapadered(comoJavascriptoPHP),obienimplementandounacapaderedenCparacomunicarconelservidor.

AúnquedanciertasincertidumbresencuantoalascaracterísticasdelreceptorRTL-SDR, pero la comunidad en torno a este dispositivo esmuy activa despejando estasdudaspocoapoco.

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[29]. Gearman. Documentación. [en línea] Disponible en:http://gearman.org/documentation/

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I. Anexo:ManualdeusoeinstalaciónPuestaapuntodelsistemaElhardwareutilizadoparaladetecciónconstadeunaRaspberryPiconunreceptor

RTL-SDR conectado a través del USB y un servidor al que se enviarán las alarmas atravésdeunsocket,cuyoesquemasemuestraenlafiguraI.1.

FiguraI.1:Esquemageneralsistema

Para poder ejecutar el programa en la Raspberry Pi, el primer paso será lainstalacióndeunsistemaoperativoadecuadoen lamisma.ParaesteproyectosehaescogidoRaspbianqueesunavariacióndeDebiandeLinux[22]yaqueesunodelosmás utilizados en estos dispositivos. Se puede descargar en la página web deRaspberry Pi Foundation [22] en el siguiente enlace:https://www.raspberrypi.org/downloads/raspbian/.

UnavezsedescargaelsistemaoperativohayquemontarlosobreunatarjetamicroSDde8GBomayor.UnavezcopiadalaimagenenlatarjetaseintroduceenlaranuramicroSDdelaRaspberryPiyalconectarlaalaalimentaciónatravésdelmicroUSBseejecutaráautomáticamenteelsistemaoperativo.

Por defecto el sistema operativo estará con el usuario “pi” dado de alta, cuyacontraseña es “raspberry", que habrá que introducir al iniciar el dispositivo. Sinembargoestosepuedecambiar,asícomolospermisosasignadosacadausuario.

Para ver la línea de comandos del sistema operativo remotamente hay quehabilitareneldispositivoelprotocoloSSHrealizandolossiguientespasos:

1. Ejecutar“sudoraspi-config”paraaccederalaconfiguracióndelsistema2. Seleccionarlaopción“InterfacingOptions”3. Seleccionarlaopción“P2SSH”yhabilitarlaopción.4. Reiniciardispositivoejecutando“sudoreboot”.

Una vez habilitado el SSH (por defecto en el puerto 22) del dispositivo se podráutilizarcualquierordenadorenlamismaredparaveryusarlalíneadecomandosdel

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sistema operativo del dispositivo. En caso de tener OS X o Linux se puede hacer atravésdelterminalejecutandoelcomando“sshusuario@dirección_ip_dispositivo”ysiseusaWindowssepuedehacerusandolaaplicaciónPutty.ParaconseguirconectarsealdispositivoatravésdeSSHhayqueconocerladirecciónIPquetieneasignada,quese puede fijar o bien se puede asignar mediante DHCP y encontrarla usandoaplicacionescomoAngryIPScanner.

EjecucióndelprogramaParaejecutarelprogramadiseñadoenesteproyectoelprimerpasoserácopiarel

directorio del proyecto en la Raspberry Pi, para conseguirlo se puede descargar elproyecto del enlace: https://github.com/juanmorenogl/stu-rf-detector. Para copiarlodelordenadora laRaspberryPi sepuedeutilizarelprograma fileZillaque tieneunainterfazbastantesencilla.EnlaimagenI.1sepuedeapreciarelaspectodelprogramafileZillaestandoenelladoizquierdolosdirectoriosdelordenadordondeseejecutayenelladoderecholosdirectoriosdelaRaspberryPi.ParacopiarelproyectoatravésdeFTPsimplementehabráquearrastrarlacarpetaquelocontienedelladoderechoalizquierdo.

FiguraI.2:InterfazprogramafileZilla

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Unavez copiadodirectorio seejecutan los siguientes comandospara compilar laaplicaciónconelreceptorRTL-SDRconectadoalaRaspberry.

1. Secambiaaldirectoriodelproyecto:“cdrtl-sdr/”2. Se cambia al directorio donde se generará el makefile de la aplicación

ejecutando:“cdbuild”.3. Seconfiguraelproyectoylosscriptsdelaaplicación:“cmake../”4. Secompilalaaplicación:“make”5. Seinstalalaaplicacióneneldispositivo:“sudomakeinstall”

Una vez realizados estos pasos se podrá ejecutar la aplicación en cualquierdirectorio del sistema ejecutando el comando rtl_power seguido de la opcionesdeseadas. Enel anexo II sedetallaráel contenidodel programa. En la imagen I.2 sepuedeobservarelaspectodelalíneadecomandosalejecutarlaaplicación.

FiguraI.3:Ejemplodeejecucióndelaaplicación

Lasposiblesopcionesquesepuedenmodificaralejecutarelprogramaporlíneadecomandossonlassiguientes:

- f: parámetro con el que se determina la frecuencia en la que se empieza elbarrido, la frecuencia final del barrido y la precisión en frecuencia de dichobarrido.SepondrádespuésdecadanúmerounaMparaMHzounaKparaKHz.Unejemplodeparámetrosería“–f715M:735M:10k”especificandounbarridode715a535MHzconunaprecisiónde10KHz.

- i:conesteparámetrosedeterminaráeltiempoensegundosquesedeseaquehayaentrebarridosdefrecuencia.Elvalorpordefectoes10segundos.

- e:elparámetro“e”seutilizaparadeterminarencuantotiempodebefinalizareltiempo.Comoenelsistemadiseñadosequierediseñarparapermanecerenmodostandalonesedejaráelvalorpordefecto,queesinfinito.

- d: este parámetro es usado para identificar el dongle con el que ejecutar elprogramamedianteuníndice.

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- g: este parámetro determina la ganancia del receptor, que por defecto estáconfigurado para que el receptor use AGC. Si se quiere cambiar se debeintroducirelvalordeseadoendB.

- p:eselvalorquetieneelerrordelcristaldelreceptorenpartespormillón.- w: parámetro que determina la ventana que da forma a los datos antes de

realizar la FFT. Se puede elegir entre las siguientes: rectangle, hamming,blackman, blackman-harris, hann-poison (hanning-poison), youssef, bartlett ykaiser.

- c:parámetroqueconfiguraelporcentajede solapamientoentreventanasenformadecimal.

- s: parámetro adicional creado para fijar el umbral por encima de lamedia apartirdelcualseescribeunaalerta.Pordefecto,estáfijadoa20dBporencimadelamediaoporencimadelparámetroq.

- q:parámetropara introducirunsuelo fijoapartirdelcualsesumaelumbralfijadoenelparámetro“s”.Esdecir,sielparámetro“q”es-40yelparámetro“s” es 20 toda aquella señal que se detecte demás de -20dBm de potenciacrearáunaalarma.

- F:parámetroquevadel0al9indicaelnumerodepuntosusadosporunfiltroFIRdediezmado.Esteparámetronoseráusadoeneldiseño.

- P:parámetroparaconfigurarlasfunciones“max-hold”enlaquemantienenlosmáximosvaloresdetectadosenlamedición.

- D:funciónparahabilitarlarecepciónenmododirectsampling.- fichero: se puede pasar como parámetro de la instrucción un nombre de

ficheroenelqueseescribirántodoslosdatosdesalida.

Para la ejecución de los programas de NodeJS será necesaria la instalación delframework. En el casodel servidor dependerádel sistemaoperativo, pero sepuedeencontrarlasinstruccionesparatodosen[26].ParalapartedelclientealejecutarseenunaRaspberryvaldráconejecutarlossiguientescomandos:

“curl -sL https://deb.nodesource.com/setup_6.x | sudo -E bash -

sudo apt-get install -y nodejs

Una vez instalado se puede pasar a ejecutar el programa de cliente en lasRaspberryPi.ElclientequeseejecutarácontienelaslíneasdecódigoquesemuestranenlafiguraI.3quesirvenparacrearelsocketTCPentreclienteyservidor.

FiguraI.4:Inicializaciónsocket

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ElsocketutilizapordefectounservidorlocalizadoenladirecciónIP192.168.1.107puerto80comosepuedeverenlalínea6delafiguraI.3,sinembargoprobablementesi se prueba la aplicación en otro entorno, el servidor tenga otra dirección IPhaciendosenecesariocambiarestalínea.UsandoAngryIPSannersepuedeencontrarla dirección IP del host que ejecuta el programa servidor, una vez conocida dichadirecciónhabráquemodificarelprogramacliente.jsysustituir ladirección IPquesemuestraenlafiguraI.3.

En el programa de servidor en el fichero app.js si observamos la función“net.createServer()” en la línea 28 se especifica el puerto donde se habilitará elservidor. Estepuertodebe ser siempreelmismoqueel especificadoen la figura I.3línea6.

FiguraI.5:Servidordeaplicación

Comoseexplicóenelapartado4.5.3,paraquelosprogramasdeClienteyServidorse mantengan ejecutándose continuamente, aunque se cierre sesión, se utilizará elmanejadordeprocesosPM2.ParasuinstalaciónseutilizaráelgestordepaquetesdeNodeJSnpm.Se instalarádemaneraglobalutilizandoel comando“sudonpm installpm2–g”,paraquesepuedausarcontodaslaaplicacionesNodeJS.

Unavez instalado todo, lametodologíaparaejecutar la aplicaciónentera será lasiguiente:

- Seejecutaelprogramaservidorenunhost,paraellohayquesituarsecon laconsolaeneldirectoriodelproyectoyejecutar:“sudopm2startapp.js”

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- Trashabercompiladoelprogramadedetecciónrtl_power.csesitúalaconsolaeneldirectoriodelprogramaclientedeNodeJSyseejecutaelprogramaconelsiguientecomando“rtl_power<opciones>datos.csv”.

- Actoseguidopasaremosaejecutarelprogramacliente.jsqueseencargarádeenviarlasalarmasqueseregistrenenelficherodatos.csv.Paraello,habráqueejecutarelcomando“sudopm2startcliente.js”.

Una vez esté todo en funcionamiento en el host del servidor si se ejecuta elcomando“pm2logs”semostraránloslogsdelasalarmas.Estapartedelaaplicacióneslaquedebesercambiadasisedeseaintegrarelsistemaconalgunaotraaplicacióndemonitorizaciónobiensideseamostrarlainformacióncondiferentesinterfaces.

Además,sisedesea,elprogramadebarridopuedeserejecutadodirectamentealencenderlaRaspberryPi.Paraelloesnecesarioincluirlainstruccióndeejecucióneneldelprogramaenelfichero“/etc/rc.local”.Deestamanera,alconectareldispositivoala alimentación, si tiene el receptor RTL-SDR conectado el programa comenzará aejecutarsealmacenándoselosresultadosenelficherodelainstrucciónalmacenadoeneldirectorioraíz.

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II. Anexo:ProgramautilizadoElprogramaparalamonitorizacióndelespectroutilizadoesunamodificacióndel

programartl_powerprogramadoenC,delalibreríadeOsmocom.EstáempaquetadocomoaplicaciónusandoCMake.Lafunciónprincipaldelprogramartl_poweresladerealizar un barrido de una banda ancha de frecuencias operable por el RTL-SDR. Enesteanexosevanadescribirlasdiferentespartesdelprogramaysusfuncionesconelfinmostrarcómooperaelprogramaprincipaldedeteccióndelsistemadiseñado.

Loprimeroquesehaceenelprogramaesdeclararaquellasvariablesquesevanausar.EnlafiguraII.1semuestranlasprincipalesvariablesqueseusanparaconfigurarelbarridoquerealizaelprograma.

FiguraII.1:Declaracióndevariableprincipalesdelprograma

Aestánvariablesselesasignanlosvalorespertinentesquedeterminanelbarridoque se hace por defecto si no se introducen parámetros al ejecutar el programa.Muchas de estas variables son configurables introduciendo como parámetros laconfiguraciónoportuna(detalladaenelapartado4.4yanexoI).EstaconfiguraciónesimplantadaenelprogramamedianteelcódigomostradoenlasfigurasII.2yII.3justodespués,utilizandolafunciónswitch.

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FiguraII.2:Configuracióndeparámetros1

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FiguraII.3:Configuracióndeparámetros2

Unavez instanciados losparámetrosde configuración se compruebaquenohayinconsistenciasenlosdatosintroducidosquedenlugaraerrores:

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FiguraII.4:Controldeparámetros

LasbandasquemideencadainstanteeldispositivoRTL-SDRcomosehaexplicadoconanterioridad,puedenserdeunanchodebandamáximode2,8MHz,ysellamaránsub-bandasoventanasenestedocumento.Alintroducirelrangodefrecuenciasentrelasquesequiererealizarelbarridoyelsolapeentresub-bandascomoparámetros,secalcularáel anchodebandade todasellas y la cantidaddeventanasnecesariapararealizarelbarridoentero.Elanchodebandaseráelmayorposible,menora2,8MHz.Porejemplo,sisemonitorizadesde715a735MHzsinsolapamientoseusarán8sub-bandasde2,5MHzcadauna.

Una vez configurados todos aquellos parámetros que afectan al barrido, seprocederáalarealizacióndelmismoparaellosehautilizadounbuclewhilehastaquese capture una señal de salida (variable do_exit). Esta señal de salida puede serlanzadapordiferentescircunstancias:

- Elusuarioteclea“ctrl+C”durantelaejecutción- Seacabaeltiempomáximoespecificadocomoparámetros(parámetro“-e”)- Sehaespecificadohacerunsolobarrido.

En cada ejecución del bucle se realiza un barrido de la banda completa amonitorizar.Lavariabletune_countalmacenaelnúmerodesaltosquedalafrecuenciacentraldel receptorRTL-SDRparamedircadasub-banda.Cadavezqueseejecutael

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bucle se utiliza un bucle for que se ejecutará tantas veces como el valor detune_count.Encadaunadeesasejecucionesseextraeránlosvaloresdeseñalencadasub-banda (línea 1023). Si alguno de esos valores supera el umbral impuesto, sealmacenaráenelarraypotMaxlapotenciadelmáximodeesosvalores,yenfrecMaxlafrecuenciaalaqueseencuentraelmismo.Trasmostrarlosmáximosporconsola,obienescribirlosenelfichero,se inicializaránambosarrays.Enlasfiguras II.5y II.6semuestraelcontenidoprincipaldelbucledebarrido.

FiguraII.5:Líneasbuclewhile1

FiguraII.6:Lineasbuclewhile2

La media es calculada almacenando la suma de todos los valores de todas laspotenciasmedidasydividiendosuvalorporuncontadorquesehaidoincrementandoen cada potencia medida a lo largo de la banda que se está monitorizando (línea1046).Estevalor,esusadocuandosecreanlasalarmasusandounumbralrespectoalamedia.Sielumbralesfijoelvalordelamediaserásobrescritoalprincipiodelbuclewhile(líneas1013a1015).

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Alfinalizarelbucleseliberarálememoriausada,secerraráelficherodeescrituraabierto si procede y también se cerrará el objeto instanciado para el control deldispositivoRTL-SDR.

Para la utilización de las bandas de exclusión en caso de usar el programa enbandas donde hay transmisiones conocidas que no se quieren monitorizar seránecesarialamodificacióndelcódigofuente.ComoeslógicoalmodificarelcódigoseránecesariovolveracompilarloantesdeejecutarlosiguiendolospasosdelAnexoI,paraquesehaganefectivosloscambios.

Lasbandasdeexclusiónsondefinidasusando lavariable ‘frecEliminar’,declaradaen la línea 76 de manera global como se puede ver en la figura II.7. La variable‘frecEliminar’ es un array donde se pueden declarar hasta 3 bandas diferentes deexclusión.

FiguraII.7:Declaraciónvariablesusadasenlamodificación

Para ladeclaraciónde lasbandashabráqueescribir la frecuencia inicial (fienhertzios) y la frecuencia final (fs en hertzios) de las bandas de la siguientemanera{fi,fs,fi,fs,fi,fs}. Concatenando las frecuenciaspara cadaunade lasbandasdiferentesbandas.En casodequeno sequiera crearunabandadeexclusión sedeberádarelvalor0alasrespectivasfrecuenciasinicialesyfinales.

La exclusión de las bandas será realizada en la función csv_dbm en la que aldetectarunmáximosecomprobaráquenoestéenlabandadeexclusión.Sisedetectaunmáximoquecumplalacondicióndelaalarmaenunabandadeexclusión,esteserádescartadoynoseregistrarácomoalarma.

Se han incluido unas líneas comentadas en la función csv_dbm en las que pone“descomentar para debug” debajo de las cuales se encuentran líneas de códigocomentadas,quesi sedescomentan,al ejecutarelprogramadarán informaciónporpantalla(oenelficherodeescritura)sobretodoslosmáximosdetectadosporencimadelumbraldefinido.

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