Artículo técnico sobre las nuevas tecnologías inalámbricas para el IoT, escrito por Adam Chidley, European Senior Product Manager de AVNET Abacus.
La tecnología inalámbrica es algo propio de la sociedad moderna; en términos generales, confiamos en la tecnología móvil a la hora de estar conectados cuando viajamos y, probablemente, en la tecnología Wi-Fi cuando no lo hacemos. Ambas ofrecen anchos de banda que son lo suficientemente altos como para ser considerados banda ancha, dotando de un acceso prácticamente ilimitado a todo tipo de contenido esencial, tanto en la jornada laboral como en momentos de ocio.
En el caso del Internet de las Cosas (IoT), las tecnologías móviles y de banda ancha también desempeñan un papel importante, pero para muchas de las “cosas” del IoT añadir banda ancha puede suponer un gasto innecesario en términos de consumo y coste.
Aunque los dispositivos finales poseen un número casi infinito de formas y tamaños, tienen muchos aspectos en común, el primero de ellos el coste, seguido por el tamaño y el peso. Sin embargo, todas estas demandas quedan eclipsadas por la necesidad fundamental de ser eficientes.
El balance de “tamaño, peso, potencia y costo” (Size, Weight, Power & Cost – SWaP-C) es bien conocido en proyectos militares y aeroespaciales y también se puede aplicar en el IoT. Se espera que la mayoría de los dispositivos finales para el IoT operen durante muchos años con mínimo mantenimiento e, incluso, con ausencia de él, que incluye el cambio de las baterías. Y, como lo más probable es que utilicen alguna forma de conectividad inalámbrica, la elección de la tecnología se convierte en un proceso vital para los cálculos SWaP-C.
Una de las formas más sencillas de reducir el consumo de radiofrecuencia (RF) consiste en limitar el alcance o el ancho de banda. Dicho de otro modo, el alcance y el ancho de banda se determinarán por la potencia RF disponible. Aceptando que la aplicación tendrá bajo presupuesto de alimentación, la elección de una tecnología que ofrezca el alcance y el ancho de banda requeridos cuenta con pocas soluciones potenciales. Muchas de ellas superan las limitaciones de alcance al emplear la misma forma de red; en este sentido, suelen decantarse más por la tecnología móvil que por el Wi-Fi.
Observándolo desde el punto de vista de un solo nodo, la potencia necesaria para enviar un mensaje al servidor de red se distribuye de manera eficiente a través de todos los nodos que participan activamente en dicha red. Para una red en malla (mesh) que funciona en modo self-healing, un mensaje se podría recoger y pasar por múltiples nodos y, en algunos casos, se consumiría energía innecesariamente. Esto es característico de las tecnologías inalámbricas que invaden el espacio PAN (Personal Area Network) y LAN (Local Area Network) y adoptan una topología mesh, como Bluetooth 5 y ZigBee. Es menos habitual en las tecnologías inalámbricas LPWA (Low Power Wide Area) diseñadas para transmitir a lo largo de muchos kilómetros, al contrario de los pocos metros de PAN y LAN. Aquí se incluyen tecnologías desarrolladas para el espectro licenciado como LTE-M y NB-IoT, así como LPWA, que operan en el espectro no licenciado, como Sigfox y LoRaWAN.
Costes importantes en las tecnologías inalámbricas
La creación y la operación de una red móvil en el espectro licenciado es algo costoso, por lo que las soluciones emergentes como LTE-M y NB-IoT quedarían descartadas por el aspecto económico, al menos en las primeras fases de desarrollo. De manera similar, las redes mesh que confían en múltiples nodos locales para garantizar la conectividad y extender el alcance (Bluetooth 5 y ZigBee) podrían aumentar el coste total de propiedad (TCO), particularmente cuando hay que abarcar grandes zonas o largas distancias. Las soluciones presentadas similares por los seguidores de Sigfox y LoRaWAN tratan de superar estas limitaciones al ofrecer conectividad de largo alcance (decenas de kilómetros) para mensajes de bajo ancho de banda (decenas de bytes) con mínimo consumo (años de servicio con una sola batería), sin la responsabilidad de convertirse en operador de red.
A pesar de que las redes móviles no se pueden tener en cuenta en el sentido convencional, las LPWAN que rinden en el espectro libre de licencia requieren estaciones base para asegurar la cobertura. Con Sigfox, la responsabilidad recae en terceras compañías que trabajan con redes Sigfox locales; los usuarios deben contratar a estos operadores para poder usar las redes. Su protocolo ligero soporta cargas de hasta 12 bytes en el enlace uplink (desde el dispositivo final a la red) y minimiza los requisitos de potencia de transmisión al quitar la mayoría de los gastos de red convencionales como negociación (handshaking). El dispositivo transmite su mensaje tres veces en diferentes frecuencias, con la intención de que sea recibido por, al menos, una estación base a su alcance. Los acuses se pueden configurar, pero no es un requisito del protocolo. Como un estándar global, los dispositivos finales en lados opuestos del mundo podrían, en teoría, comunicar (si la cobertura lo permite) con una ratio de datos de entre 100 y 600 bits por segundo (en función de la región), usando tecnología UNB (Ultra Narrow Band) basada en esquemas de modulación shift-keying.
Como opera en el mismo espacio (espectro RF y aplicación; por debajo de 1 GHz), LoRaWAN es comparable a Sigfox, pero proporciona numerosas funciones útiles. Se basa en una tecnología de amplio espectro y usa una técnica denominada ADP (Adaptive Data Rate) para ajustar automáticamente el factor de expansión de cada dispositivo final, con la misión de obtener el mejor rendimiento posible (alcance, carga y ratio de datos, duración de batería y capacidad de red). La topología de red “estrella de estrellas” (star of stars) elimina la necesidad de repetidores y la sobrecarga asociada con tecnologías en malla. Además, las comunicaciones son bidireccionales y conocidas y soportan mensajes multicast (ideales, por ejemplo, en actualizaciones Over The Air – OTA). La topología de red también incluye gateways, que los usuarios pueden poner en servicio para ofrecer backhaul a la mayor de todas las redes, es decir, a Internet.
Soluciones modulares para las nuevas tecnologías inalámbricas
Cada vez más, los módulos existentes se usan para ofrecer soluciones inalámbricas pre certificadas que se pueden diseñar con mínima experiencia en RF. Uno de los primeros módulos en dotar de una solución LoRaWAN y Sigfox completa es el CMWX1ZZABZ-078 de modo dual de Murata, un modelo autónomo “drop-in” que permite añadir conectividad LPWA a prácticamente cualquier proyecto. Incluye un microcontrolador ARM Cortex-M0+ para aplicaciones embebidas de hosting y un transceptor de RF desarrollado por Semtech, la compañía que está detrás de la tecnología de amplio espectro de LoRa.
Si está pensando en desarrollar una aplicación IoT que necesita conectividad inalámbrica de largo alcance y bajo consumo, pero no está seguro de cuál es la mejor opción, le recomendamos que vea nuestro webinar con Murata, donde se aborda en profundidad los protocolos LoRaWAN y Sigfox y el diseño de nodos usando un módulo de modo dual. También puede visitar el apartado “Pregunte al Experto” de la página web de AVNET Abacus y solicitar mayor información.
