Tecnologías inalámbricas - Tecnológico de Monterrey

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Tecnologías inalámbricas
Alfonso Alva
David Muñoz Rodríguez
Luis Fernando González Pérez
Jair Mercury González
Ramón Rodríguez Cruz
13.1 Descripción
13.1.1 Definición
Debido a que las tecnologías inalámbricas se expanden en un rango muy
amplio de aplicaciones esta investigación no aborda todos los posibles usos
sino los más representativos, a continuación proponemos una clasificación
de tecnologías inalámbricas:
1. Redes inalámbricas ad-hoc y de sensores
2. Redes de comunicación multimedia inalámbrica
3. Redes de comunicación celular
En general la primera categoría concierne al diseño e implantación de redes
inalámbricas capaces de captar información del entorno para propósitos de monitoreo y control. Estas redes se emplean para un número nutrido de aplicaciones
que van desde la investigación ecológica hasta la automatización industrial, monitoreo de vehículos, optimación logística de centros de salud, etc. En muchos casos
acciones apropiadas deben de tomarse ante la ocurrencia de determinados eventos. Estas acciones pueden estar dirigidas por redes inalámbricas de nodos con
capacidad de actuar. Las principales características de esta categoría de sistemas
inalámbricos la constituyen su cobertura modesta de corto alcance, su capacidad
media o baja de transmisión de información y su bajo consumo de potencia.
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del Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey a cualquier persona y/o actividad que sean ajenas al mismo.
LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS
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CAPÍTULO 13: TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS
En la segunda categoría, como lo sugiere el título, colocamos a todas las tecnologías inalámbricas de alta velocidad. Por alta velocidad nos referimos a la capacidad de
transmitir contenido multimedia (audio y video) en tiempo real. Ejemplos de esta categoría son las redes inalámbricas que soportan transmisión continua de audio y video,
video conferencia, etc. La principal característica en esta categoría es el flujo masivo de
información en ambientes interiores y regiones metropolitanas. Esta categoría puede
subdividirse a la vez en redes inalámbricas de área personal (wpan), redes inalámbricas
de área local (wlan) y redes inalámbricas de área metropolitana (wman). Es notable
como esta categoría no depende del área de cobertura sino de la cantidad de información que comunica.
La última categoría está relacionada con las comunicaciones celulares convencionales, es decir, comunicaciones de voz y datos dentro de una red metropolitana. La
principal característica en esta categoría es el área de cobertura, así como la tasa de
transmisión de entre 200 y 380 kbps. Dentro de esta clasificación tenemos a las tecnologías gsm y su evolución hasta umts (3g) por un lado y a cdma y su evolución por el otro.
En un futuro cercano se espera que estas dos últimas categorías se mezclen en una sola
área de sistemas inalámbricos y comunicaciones móviles conocida como “sistemas de
comunicación 4g”
13.1.2 Detonadores
Los sensores y actuadores trabajando juntos y formando redes proporcionan inteligencia
en la fábrica, en la granja, en la oficina, en la clínica, en el supermercado, etc. Esta inteligencia permite un uso más eficiente de los recursos y evitar accidentes, lo que a su vez
reduce considerablemente los costos de la empresa. Se desarrollarán nodos capaces
de reunir información del ambiente y de activar mecanismos de una forma automática,
de dimensiones pequeñas, con capacidad de procesamiento y baratos; para poder ser
vendidos por millones por todo el mundo y ser costeables. Cuando una masa crítica se
alcanza, un estándar puede ser desarrollado y un efecto amplificador con una retroalimentación positiva se logra. Las tendencias en redes inalámbricas de sensores seguirán
esta regla.
Nodos inalámbricos con sensores, actuadores y electrónica de radiofrecuencia son
el tipo de dispositivo que puede ser construido como un “Sistema Inteligente en un Chip”
(isoc) por sus siglas en inglés. Para permitirles a estos dispositivos un tamaño más pequeño, se conduce investigación en semiconductores basada en silicio. La madurez de
esta investigación se espera para el año 2015 en el cual dispositivos confiables y baratos
con baja potencia de disipación se podrán construir. El éxito no depende solamente
de los avances en las tecnologías de silicio pero en una mezcla de microelectrónica y
fotónica con nano-química y biotecnología. El futuro de los isocs permitirá el desarrollo de nuevos circuitos y sistemas con propiedades nuevas extraordinarias relevantes
para casi cualquier sector de la economía. Esta integración apoyada en la biotecnología
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CAPÍTULO 13: TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS
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proporciona los cimientos para un futuro en el que el sensado , la percepción de las imágenes, el procesamiento de información y las comunicaciones puedan ser integrados.
Para poder comunicar estos nuevos dispositivos híbridos se requiere de una plataforma. Se necesitan desarrollar nuevos protocolos y establecerse estándares. La construcción de los circuitos integrados nos impone límites en las bandas de frecuencia a las que
pueden operar. La compatibilidad electromagnética de los futuros dispositivos dentro de
los nodos determinará las cotas en las frecuencias de operación. Las tecnologías actualmente estandarizadas guiarán la futura investigación. Es por ello que podemos esperar
el uso de sistemas móviles, reconfigurables y redes inalámbricas personales basadas en
el estándar ieee 802.15 y sus estándares derivados mencionados anteriormente. Siempre
que las redes bajo estos estándares puedan coexistir pacíficamente e interactuar entre
ellos de manera eficiente, el desarrollo e integración de redes de sensores y actuadores
será económicamente posible muy pronto.
Algunas redes formadas por dispositivos de sensado interconectados entre sí, son
capaces de recuperar y retransmitir contenido multimedia en forma de cadenas de símbolos de audio y video, imágenes estáticas y datos provenientes de las variables sensadas. Cuando estas redes logran la comunicación descrita a través de un medio inalámbrico se les denomina Redes Inalámbricas Multimedia de Sensores (wmsn) por sus
siglas en inglés. Aplicaciones existentes que utilizan redes de sensores incluyen rastreo,
automatización de enseres domésticos, monitoreo ambiental, vigilancia y reconocimiento
del campo de batalla. El avance en el desarrollo de estas aplicaciones se debe en gran
medida a la evolución de redes wmsn. Algunas otras aplicaciones serán habilitadas gracias al uso de estas redes próximamente, tal es el caso de los sistemas de vigilancia multimedia, los sistemas de control y disminución de tráfico vehicular, el aprovisionamiento
de servicios avanzados de salud y los servicios de localización de personas.
Adicionalmente a la integración de redes automáticas que sensan un dispositivo
externo y actúan de acuerdo a la información recabada de a cuerdo con una máquina de estados finita, existen esquemas que demandan intercambio de información.
Tecnologías pasivas que actúan cuando son interrogadas por un mecanismo inalámbrico pueden ser administradas y respuestas en tiempo real pueden ser activadas. Esta comunicación inalámbrica pasiva es un elemento nuclear de colaboración
inter empresarial subyacente en muchos modelos emergentes extendidos en los
negocios, la seguridad en el hogar y otros dominios. El ejemplo primordial es el
de identificación por radiofrecuencia presente en las cadenas de suministro (tales
como Wal-Mart, FedEx o Cisco). El siguiente paso es el de rastreo de patrones en
los consumidores de manera que se puedan identificar preferencias hacia ciertos
productos por zonas. Esto permitiría un mecanismo eficiente de desplazamiento de
mercancía. Esta aplicación impone retos tanto en el desarrollo de etiquetas de rfid
poderosas como en procesos de minería de datos.
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CAPÍTULO 13: TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS
Dentro de las áreas militares el número de aplicaciones es enorme. Es precisamente
en este nicho en el que nacieron las tecnologías de redes de sensores y redes auto configurables. Debido a que el retorno de inversión no es la prioridad para la investigación
de la marina y la armada, se espera que audaces líneas de investigación usando nuevos
materiales y diferentes bandas de frecuencia sean adoptadas por este sector de la economía con el propósito de desarrollar aplicaciones de guerra.
La tendencia más clara es la de la interconexión e interacción de redes reconfigurables de sensores inteligentes entre sí y con otros dispositivos inalámbricos en
otras redes inalámbricas. Esta tendencia obedece a la necesidad de proporcionarle
a la gente información en tiempo real independientemente del momento y lugar en
el que se encuentren con el fin de incrementar su productividad y capacidades de
competitividad.
En el presente las tecnologías inalámbricas de alta velocidad están experimentando
una enorme cantidad de mejoras gracias a los recientes avances en la teoría de telecomunicaciones y diseño electrónico en la muy alta escala de integración (vlsi) por sus
siglas en inglés. Por ejemplo, en el área de uwb se espera que este año los primeros
dispositivos electrónicos para consumo con esta tecnología se encuentren disponibles
en el mercado. Esto hará posible la transmisión de aplicaciones multimedia en alcances
cortos con mucho menos consumo de batería que lo que sus contrapartes convencionales actuales.
En el área de Wi-Fi desde el año pasado ha habido muchas actividades alrededor
de la estandarización del ieee 802.10. La nueva versión de este estándar, el 802.11n, es
una especificación tendiente a incrementar la velocidad de red, confiabilidad y distancia
de operación de las redes inalámbricas. El rendimiento en la transmisión de datos sin
encabezado se espera que alcance los 600 Mbps o más de 10 veces el rendimiento
del estándar 802.11g. La tecnología clave para que el nuevo estándar alcance un rendimiento de 600 Mbps es el uso de sistemas mimo que utiliza múltiples antenas en ambos
sentidos. En la fuente de información o transmisor y en el destino o receptor de manera
que se minimicen los errores y se optime la velocidad de la transmisión de datos.
En cuanto a wimax podemos decir que para un despliegue exitoso de este tipo de
redes los vendedores de equipo deben afinar su estrategia para ofrecer productos que
permitan utilidades con respecto al costo de la inversión. Para ello deben conocer las necesidades del país en donde se desplegará la tecnología. Esto significa que las soluciones programables de procesamiento digital de señales (dsp) y los dispositivos de radio
definidos por programas de software serán las tecnologías a ser usadas para implementar wimax. Las soluciones basadas en software proporcionan la flexibilidad para enfrentar
variaciones sin tener que retomar un rediseño completo para cada mercado.
En cuanto a tecnología de comunicación con base en células, la prospectiva tecnológica para las 3g se agrupa en dos nuevas generaciones: 3.5g y 4g. Algunos aspectos
clave de éstas se muestran a continuación:
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CAPÍTULO 13: TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS
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1. 3.5g (3.5th Generation or LTE –Long Term Evolution-): Mejora de umts, mejora a
través de otras técnicas auxiliares, tales como: iburst, hyperman, wimax, wibro,
gan (Generic Access Network). Esquema usado: mimo + ofdm + sc-fdma (Single
Carrier), sdma, Beamforming.
2. 4g: Los estándares serán definidos por varios grupos de investigación de
telecomunicaciones (por ejemplo: Airspan, Alvarion, Aperto Networks, Ensemble, Fujitsu,
Intel, Nokia, Proxim, entre otros) basados en los requerimientos sociales y tecnológicos.
La frecuencia de operación prospectada: 3-5 ghz (Tendencia de Internet inalámbrico).
Propuestas de esquema: concepto “a cualquier hora, en cualquier lugar”; mimo, mumimo, ipv6, sdr (Software Defined Radio), algoritmos Alamoutti. Soluciones de prospectiva
tecnológica al estado del arte: ruteo móvil cooperativo (cooperative mobile routing),
Redes mimo (Net-mimo), Antena Inteligente mimo, control de supervisión celular, v-doip
(voice-data over IP); 3d tv, Intelligent-Software-autoconfiguration based applications,
Augmented Reality (ar = Enhanced Virtual Reality –evr-).
En conclusión, se busca que las tecnologías inalámbricas evolucionen hacia un
escenario centrado en el usuario en donde una red de acceso generalizado dará
soporte a una conexión completa en cualquier momento y lugar, basada en una
infraestructura all-IP común, flexible y transparente que apoyará la escalabilidad y
movilidad.
13.1.3 Comportamientos tecnológicos
Entre los elementos característicos de la megatendencia más significativos tenemos
que los sensores que observan variables físicas y recolectan información del ambiente para después tomar decisiones de manera autónoma permitirán evitar incendios, administrar inventarios, monitorear pacientes y realizar museos interactivos),
existe una mayor dinámica en la interacción entre sensores y actuadores, con una
lógica de acción más sofisticada, mediante la programación en lenguaje vhdl (lenguaje para sistemas de diseño) se podrá implementar más rápidamente los módulos
de hardware, la radiofrecuencia (Rfid) permite identificar y rastrear productos y animales para los procesos de inventario y control, el uso de tecnologías inalámbricas
facilita el acceso global a personas e información, por medio de las tecnologías inalámbricas se están diseñando portales en línea de servicios (como finanzas en línea,
gobierno en línea), el crecimiento del uso del internet provoca una mayor demanda
de entretenimiento (mayor ancho de banda), el aumento de usuarios conectados a
internet provoca el desarrollo de más servidores de banda ancha inalámbrica. Finalmente, se están produciendo libros accesibles a través de la red, el Business 2 Business (b2b) facilitará la comunicación y operación organizacional y la agricultura de
precisión permitirá el monitoreo mediante información vía satélite de las condiciones
de tierra, agua, plagas y meteorológica en productos agrícolas.
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CAPÍTULO 13: TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS
13.2 Temas de investigación
Tabla 13.1 Temas de investigación
Modelos matemáticos de propagación y optimización del canal inalámbrico de comunicación
Diseño de baterías compactas, recargables y de alta duración
Compresión de información en hardware
Estructuras no resonantes en antenas
Codiseño y sistemas embebidos
Desarrollo de memorias y unidades de procesamiento cada vez más pequeñas y poderosas
Cosechamiento de energía luminosa, térmica o cinética
Interacción de protocolos de comunicación
Transductores con microsensores
Conservación de energía
Fuente: Elaboración propia.
13.3 Tecnologías existentes
Dentro de las tecnologías existentes con impacto en la megatendencia se encuentran:
Tabla 13.2 Tecnologías existentes
Redes: inalámbricas con interacción ip-inalámbrico; inalámbricas de área personal (wpan);
inalámbricas pasivas; de sensores multimedia inalámbricos (wmsn) y personales de acceso
inalámbrico (wpan) basado en bluetooth y en zigbee
Interconexión de redes de área local separadas geográfica
Protocolos de aplicaciones inalámbricas (wap)
Acceso inalámbrico portátil
Microondas terrestres
cdma
Satélites de comunicación de órbita alta y sistemas de posicionamiento global (gps)
Antenas: de frecuencia ultra-alta (uhf) y wifi
Sistemas de administración de bases de datos
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Ondas de radio de bajo poder
Semiconductores de silicio
umts
Fuente: Elaboración propia.
13.4 Tecnologías emergentes
Algunas de las tecnologías emergentes generadas por la Megatendencia son:
Tabla 13.3 Tecnologías emergentes
Nodos inalámbricos con sensores, actuadores, procesadores y sistemas de radiofrecuencia
integrados a un chip (iSoC: Intelligent System on a Chip)
Entretenimiento móvil vía banda ancha inalámbrica (evdo)
Conectividad bus serial de conexión inalámbrica universal (wusb)
Banda ultra-ancha (uwb)
Fuente: Elaboración propia.
13.5 Productos y servicios generados
13.5.1 Lista de productos y servicios
Dentro de los productos y servicios a partir de la megatendencia en las áreas de redes
masivas y redes específicas se encuentran:
Tabla 13.4 Redes masivas
Redes masivas
Dispositivos para transmisión de datos pesados (entretenimiento, música, videos, fotos, juegos,
tv, impresiones)
Dispositivos portátiles para conexión a internet desde cualquier lugar
Receptores de sistemas de posicionamiento global (gps)
Servicios de red en lugares remotos
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CAPÍTULO 13: TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS
Redes masivas
Televisión digital satelital
Interfaces interactivas intuitivas con aplicaciones, servicios y dispositivos personalizados
Dispositivos de comunicación automática
Servicios de mercadotecnia móvil y espacio de publicidad móvil
Sistemas de seguridad para transacciones virtuales
Aplicaciones móviles de siguiente generación
Dispositivos para permitir conectividad de gran velocidad
Rastreo de personas y sus patrones de consumo para el despliegue dinámico de productos
Localizadores satelitales para automóviles
Dispositivos de conexión a redes tipo Wi-Fi para autos
Aplicaciones para unir hot-spots Wi-Fi
Soluciones de seguridad inalámbrica
Nodos inalámbricos con sensores, actuadores, procesadores y sistemas de radiofrecuencia
integrados a un chip (IsoC: intelligent system on a chip)
Publicidad móvil
Operaciones bancarias desde pda´s o equipos celulares inteligentes
Generación y envío de noticias, publicidad y eventos en el teléfono celular
Dispositivos inalámbricos para computadoras
Fuente: Elaboración propia.
Tabla 13.5 Redes específicas
Redes específicas
Etiquetas rfid de alta frecuencia para utilizar en bibliotecas y seguimiento de libros y para el control de acceso en edificios
Dispositivos de infrarrojo para envío y recepción de paquetes de información en la red
Tarjetas con chips rfid integrados se usan como dinero electrónico
Integración de teléfonos móviles con teléfonos corporativos
Sensores para sistemas autónomos empleados en robots
Auriculares inalámbricos para teléfono móvil
Boletos de admisión electrónicos
Teléfonos celulares con micro-navegadores
Llaves inteligentes para abrir y arrancar el auto mientras el conductor se encuentra hasta a un metro de distancia
Etiquetas con radio frecuencia (localización de objetos en la obscuridad)
Dispositivos implantables para monitoreo de signos vitales
Dispositivos de control de aparatos electrodomésticos
RFID para señales de tráfico inteligentes en la carretera
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Redes específicas
Etiquetas para seguimiento de barricas de cerveza
Termógrafos
Etiquetas para identificación de animales
Fuente: Coordenadas, Órgano Oficial del Consejo Profesional de Ingeniería de Telecomunicaciones,
Electrónica y Computación. Año XXII, No. 78, Junio-Julio 2008. http://www.copitec.org.ar/boletines/revista/
COORDENADAS%2078.pdf
13.6 Taxonomía
Tabla 13.6 Taxonomía
Area de aplicación
Área de aplicación
específica
Tecnologías
Productos y servicios
Red inalámbrica con
interacción ip-inalámbrico
Servicio de red en lugares
remotos
Conectividad bus serial de
conexión inalámbrica universal
(wusb)
Dispositivos portátiles para
conexión a internet desde
cualquier lugar
Entretenimiento móvil vía
banda ancha inalámbrica
(evdo)
Aplicaciones para unir hotspots Wi-Fi
Protocolo de aplicaciones
inalámbricas (wap)
Banda ultra-ancha (uwb)
Redes masivas
Redes de comunicación
celular (enfocado a la
distancia)
Dispositivos para
transmisión de datos
(entretenimiento,música,
videos, fotos, juegos, tv,
impresiones)
Antena de frecuencia ultra-alta
(uhf)
Microondas terrestres
Satélites de comunicación de
órbita alta
Televisión digital satelital
Interconexión de redes de área
local separadas geográfica
Microondas terrestres
Receptores de sistema de
posicionamiento global (gps)
Sistemas de posicionamiento
global (gps)
Localizadores satelitales para
automóviles
Antenas Wi-Fi
Dispositivos de conexión a
redes tipo Wi-Fi para autos
Banda ultra-ancha (uwb)
Soluciones de seguridad
inalámbrica
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CAPÍTULO 13: TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS
Area de aplicación
Área de aplicación
específica
Tecnologías
Productos y servicios
Redes de comunicación
celular (enfocado a la
distancia)
Redes de comunicación celular
(enfocado a la distancia)
Rastreo de personas y sus
patrones de consumo para
el despliegue dinámico de
productos
Redes de sensores multimedia
inalámbricos (wmsn)
Interfaces interactivas
intuitivas con aplicaciones,
servicios y dispositivos
personalizados
Entretenimiento móvil vía
banda ancha inalámbrica
(evdo)
Banda ultra-ancha (uwb)
Dispositivos de
comunicación automática
Publicidad móvil
Dispositivos para permitir
conectividad de gran
velocidad
umts
cdma
Entretenimiento móvil vía
banda ancha inalámbrica
(evdo)
Redes masivas
Redes de comunicación
multimedia (enfocado a
los datos)
Protocolo de aplicaciones
inalámbricas (wap)
inteligentes
Banda ultra-ancha (uwb)
Sistemas de seguridad para
transacciones virtuales
Redes personales de acceso
inalámbirco (wpan) basado
en zigbee
Generación y envío de
noticias, publicidad y eventos
en el teléfono celular
Sistemas de administración de
bases de datos
Servicios de mercadotecnia
móvil y espacio de publicidad
móvil
Redes personales de acceso
inalámbrico (wpan) basado en
bluetooth
Redes personales de acceso
inalámbrico (wpan) basado
en zigbee
Semiconductores de silicio
Redes inalámbricas
ad-hoc
Operaciones bancarias desde
pda´s o equipos celulares
Conectividad bus serial de
conexión inalámbrica universal
(wusb)
Acceso inalámbrico portátil
Redes específicas
Aplicaciones móviles de
siguiente generación
Red inalámbrica de área
personal (wpan)
Dispositivos inalámbricos
para computadoras
Nodos inalámbricos con
sensores, actuadores,
procesadores y sistemas de
radiofrecuencia integrados
a un chip (iSoC: intelligent
system on a chip)
Integración de teléfonos
móviles con teléfonos
corporativos
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CAPÍTULO 13: TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS
Area de aplicación
Área de aplicación
específica
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Tecnologías
Productos y servicios
Protocolo de aplicaciones
inalámbricas (wap)
Teléfonos celulares con
micro-navegadores
Redes personales de acceso
inalámbirco (wpan) basado
en zigbee
Dispositivos implantables
para monitoreo de signos
vitales
Ondas de radio de bajo poder
Sensores para sistemas
autónomos empleados en
robots
Redes personales de acceso
inalámbrico (wpan) basado en
bluetooth
Redes personales de acceso
inalámbrico (wpan) basado en
bluetooth
Redes personales de acceso
inalámbrico (wpan) basado en
bluetooth
Etiquetas rfid de alta
frecuencia para utilizar en
control de acceso en edificios
Red inalámbrica pasiva
Redes personales de acceso
inalámbrico (wpan) basado
en zigbee
Redes específicas
Redes inalámbricas
ad-hoc
Red inalámbrica pasiva
Redes personales de acceso
inalámbrico (wpan) basado en
bluetooth
Dispositivos de control de
aparatos electrodomésticos
Redes de sensores multimedia
inalámbricos (wmsn)
Termógrafo
Redes personales de acceso
inalámbrico (wpan) basado
en zigbee
Auriculares inalámbricos para
teléfono móvil
Redes personales de acceso
inalámbrico (wpan) basado en
bluetooth
Auriculares inalámbricos para
teléfono móvil
Ondas de radio de bajo poder
Etiquetas con radio frecuencia
(localización de objetos en la
obscuridad)
Redes personales de acceso
inalámbirco (wpan) basado en
bluetooth
Boletos de admisión
electrónicos
Red inalámbrica pasiva
Redes personales de acceso
inalámbrico (wpan) basado
en zigbee
Etiquetas para identificación
de animales
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Area de aplicación
Área de aplicación
específica
Tecnologías
Redes personales de acceso
inalámbrico (wpan) basado
en zigbee
Redes específicas
Redes inalámbricas
ad-hoc
Productos y servicios
Etiquetas para seguimiento
de barricas de cerveza
Llaves inteligentes para abrir
y arrancar el auto mientras el
conductor se encuentra hasta
a un metro de distancia
Redes de sensores multimedia
inalámbricos (wmsn)
rfid para señales de tráfico
inteligentes en la carretera
Redes personales de acceso
inalámbrico (wpan) basado en
bluetooth
Etiquetas rfid de alta
frecuencia para utilizar en
bibliotecas y seguimiento
de libros
Redes personales de acceso
inalámbrico (wpan) basado
en zigbee
Dispositivos de infrarrojo
para envío y recepción de
paquetes de información en
la red
Tarjetas con chips rfid
integrados se usan como
dinero electrónico
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