F4HDK Banda 70 CM

Nuevo protocolo llamado NPR New Packet Radio

Fotos: F4HDK

He sido aficionado y creador durante casi 15 años. Me gusta inventar cosas y sumergirme en cosas de bajo nivel. En 2013, estaba mirando un protocolo llamado NBP , utilizado para crear una red de datos a través de enlaces de radioaficionados. NBP se desarrolló en la década de 2000 como un reemplazo potencial para el venerable protocolo AX.25 [PDF] que se ha utilizado para enlaces digitales desde mediados de la década de 1980. Creí que era posible crear un protocolo aún mejor con un diseño moderno que sería más fácil de usar y económico de implementar físicamente.

Tomó seis años, pero el resultado es New Packet Radio (NPR), que elegí publicar bajo mi distintivo de llamada, F4HDK, como nom de plume. Admite el estándar de comunicación universal de facto actual, el IPv4 de Internet, y permite que los datos se transmitan a una velocidad de hasta 500 kilobits por segundo en la popular banda de radioaficionado UHF de 70 centímetros . Es cierto que 500 kb / s no es tan rápido como los megabits por segundo que fluyen a través de redes de aficionados como el Hamnet europeo o AREDN de EE. UU. , Que usan gigahercios frecuencias como las de wifi. Pero aún es más rápido que los 1.2 kb / s que normalmente usan los enlaces AX.25, y la banda de 70 cm permite enlaces de larga distancia incluso cuando las obstrucciones impiden las transmisiones de la línea de visión.

Inicialmente, consideré usar diferentes bandas de frecuencia para las conexiones de enlace ascendente y descendente: los enlaces descendentes habrían utilizado el estándar DVB-S , desarrollado originalmente para la televisión digital por satélite. Los enlaces ascendentes habrían utilizado una variación de FSK (modulación por desplazamiento de frecuencia) para codificar datos. Pero la complejidad involucrada en la sincronización del enlace ascendente y el enlace descendente era demasiado alta. Luego intenté usar una radio definida por software equipada con una matriz de compuerta programable en campo (FPGA). Tenía algo de experiencia con FPGA gracias a un proyecto anterior en el que había implementado una CPU personalizada completa usando un FPGA Altera Cyclone 4 . El objetivo era hacer toda la modulación y demodulación usando el FPGA, pero nuevamente el método era demasiado complejo. Perdí casi dos años persiguiendo estas ideas hasta sus callejones sin salida.

Luego, en uno de esos momentos de por qué no pensé en esto antes, recurrí a los chips ISM (industriales, científicos y médicos). Estos son transceptores diseñados para operar en bandas estrechas de radiofrecuencia que se asignaron originalmente para fines no relacionados con la comunicación, como el calentamiento por RF. Sin embargo, la banda ISM también se ha vuelto popular para las comunicaciones porque, por lo general , no se requiere una licencia para su uso . En África, Europa y el norte de Asia, hay una banda ISM dentro de la banda de radioaficionado de 70 cm a 434 megahercios, por lo que los chips comerciales ISM están disponibles para esta frecuencia.

Elegí construir mi hardware alrededor del transceptor ISM Si4463 [PDF]: es económico, flexible y está disponible en muchos módulos y placas de conexión, y puede manejar una velocidad de datos sin procesar de hasta 1 megabyte por segundo. Está diseñado para aplicaciones de corto alcance, por lo que la parte de radio del chip no es óptima, pero funciona. Para alcanzar distancias razonables, necesita un amplificador para proporcionar más potencia de RF. Para mi plan NPR, necesitaba un amplificador que también pueda cambiar muy rápidamente entre transmisión y recepción. Encontré algunos amplificadores externos de 20 vatios disponibles para radios portátiles diseñados para el estándar de Radio Móvil Digital (DMR) desarrollado en Europa., que fue ratificado en 2005. En el estándar DMR, el equipo de radio debe poder manejar un ciclo completo de transmisión / recepción dentro de 60 milisegundos. Establecí un mínimo de un tiempo de ciclo de 80 ms para NPR con esto en mente.

El transceptor ISM está conectado a un microcontrolador Mbed Nucleo STM32 L432KC , que utiliza una CPU Arm Cortex.

Este microcontrolador a su vez está conectado a una interfaz Ethernet, y se encarga de todos los detalles del funcionamiento del protocolo NPR. Cualquier PC o red conectada ve el enlace de radio como otra conexión IPv4 sin necesidad de instalar un software NPR específico. El módem NPR se puede configurar a través de este enlace o mediante una conexión USB. El costo total del hardware es de aproximadamente US $ 80, y un socio, Funtronics, pondrá a disposición kits para su compra en línea. Si desea construir un módem desde cero, las instrucciones detalladas y el software del protocolo NPR están disponibles en la página de mi proyecto Hackaday .

El protocolo NPR se basa en un modelo de concentrador y radio, en el que un módem central conecta varios módems de cliente. Actualmente puede haber hasta siete módems, aunque planeo ampliar esto a 15. La distancia máxima teórica entre un módem cliente y el módem central es de 300 kilómetros. Este límite surge porque NPR usa una técnica de acceso múltiple por división de tiempo administrada (TDMA), en la cual el módem central y los clientes transmiten cada uno en la misma frecuencia pero en diferentes momentos, con el módem central dictando cuándo cada cliente puede transmitir y haciendo programar ajustes para tener en cuenta los retrasos debido a la distancia. El ciclo completo de transmisión / recepción es de entre 80 ms y 200 ms, según el tipo exacto de modulación y la velocidad de datos elegida.

La creación del protocolo NPR fue una parte muy divertida del proyecto para mí: decidir cómo se deben empaquetar y organizar los datos dentro de las tramas de radio y cómo los módems NPR deben interactuar entre sí. Pero después de dos años más, era hora de dejar de trabajar solo, así que compartí NPR con mi comunidad local de radioaficionados en Francia. A finales de 2018, comenzamos a probarlo en condiciones reales. Ya hemos alcanzado distancias de más de 80 km, y ahora estoy recibiendo ayuda de la comunidad mundial de aficionados, especialmente en Alemania. Actualmente, NPR se está utilizando principalmente para acceder a las redes de radioaficionados locales de alta velocidad existentes desde lugares que no pueden tener los enlaces de radio de línea de visión requeridos para señales de 2,4 y 5,6 gigahercios.

Aunque es utilizable, sería el primero en admitir que NPR es una tecnología joven y probablemente no totalmente madura. Además de aumentar el número de clientes que pueden ser compatibles con un módem central, tengo en mente una serie de mejoras, como agregar soporte para la priorización de QoS (calidad de servicio), de modo que NPR pueda usarse para transmitir voz digital; permitiendo que las tramas de Ethernet sean transportadas directamente; y separación de frecuencias de enlace descendente y enlace ascendente.

Este artículo aparece en la edición impresa de noviembre de 2019 como “La radioafición hace la red de datos distante”.

Extraído desde la web https://spectrum.ieee.org/geek-life/hands-on/build-a-longdistance-data-network-using-ham-radio