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Módulos LTE en aplicaciones industriales: ¿cuándo tiene sentido usar GSM, UMTS o LTE?

En los últimos tiempos aparecen con mayor frecuencia artículos sobre los nuevos mercados, tales como el internet de las cosas, IoT, Smart Home, Industrie 4.0 y aplicaciones similares, destinadas a aumentar significativamente el volumen de negocios de las empresas del sector industrial. En este caso, la cuestión fundamental para el ingeniero de desarrollo radica en la selección de la tecnología adecuada para la aplicación que se desea realizar. La respuesta a esta cuestión es especialmente difícil sobre todo, para aquellos ingenieros no familiarizados con módulos de radio para largas distancias. En un primer paso se trata de evaluar diferentes aspectos: la velocidad de transmisión planificada, la vida útil del control, la gestión de alimentación de energía de la que se dispone, así como el factor de forma del módulo. Asimismo se trata de estimar la variante más favorable: soldada o en formato MiniPCIe Card / M.2Card. Gracias al diseño LGA, los módulos con conexión soldada ofrecen una resistencia mecánica mayor sobre la placa de circuitos impresos que las tarjetas insertables, razón por la cual se usan preferentemente estos productos SMD soldables en aplicaciones industriales y de automoción. Las tarjetas MiniPCIe deben su nombre a su factor de forma. De hecho, la comunicación con las mismas desde el host tiene lugar a través de la interfaz USB (para LTE USB20,HS). Lo mismo puede aplicarse a las tarjetas M.2, cuyo factor de forma fue desarrollado por Intel. Estos formatos de tarjetas se usan preferentemente para permitir una variante de montaje flexible de componentes para la aplicación. En este caso, la elección depende de la decisión del cliente final, según requiera dichos módulos de comunicación en su aplicación, pese al sobreprecio en cada caso concreto. No obstante, la decisión en favor de un formato de tarjeta no ofrece ninguna garantía de compatibilidad al sustituirla por una posible versión posterior del mismo fabricante o por un producto de otra tecnología. Por regla general, en aquellas situaciones en las que es necesario utilizar módulos diferentes a los indicados en el certificado del equipo, se requiere una nueva homologación del equipo final. Además es necesario considerar las adaptaciones del software y modificaciones de la gestión de alimentación de energía que puedan ser necesarias. Por esta razón, los conceptos de familias de módulos de algunos fabricantes son recomendables en contados casos. Debido a que los diversos productos cuentan con diferentes certificados según país y proveedor, se recomienda aclarar previamente el lugar al que se destina la aplicación. Ha de tenerse en cuenta la normativa en referencia a si es necesario realizar un certificado completo de la aplicación o tan solo el delta del módulo certificado para la aplicación. Los siguientes puntos de referencia sirven de ayuda para la toma de decisión sobre la tecnología adecuada para cada aplicación. Evaluación de los estándares disponibles: GSM (Global System for Mobile Communication) con una velocidad de transmisión máxima de 86 Kbps para la recepción de datos y 43 Kbps para el envío de datos, es un estándar ampliamente implantado en aplicaciones industriales. Debido a sus reducidas velocidades de transmisión y al presentimiento de que se trata de una tecnología a la que queda un corto recorrido futuro, no es recomendable para nuevas generaciones de equipos. Por el momento no se está procediendo a la desactivación de las celdas de GSM, existen demasiadas aplicaciones de seguridad y automoción en uso, no obstante, no se están añadiendo celdas nuevas. Uno de los principios de los proveedores es orientarse siempre en mayor medida a los nuevos estándares. La desconexión de las celdas se ha planificado en un plazo de aproximadamente 10 años, es decir, en 2026. Si dicha desconexión tendrá lugar o no depende, entre otros factores, de las aplicaciones que se encuentren en uso en ese momento y de la influencia de su lobby. El estándar Edge (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) consiste en un incremento de la velocidad de transmisión conseguido a través de la introducción de un nuevo procedimiento de modulación. EDGE permite transmisiones de datos de hasta 476Kbps. No obstante, este estándar se basa en la red inalámbrica GSM/GPRS, por lo que podrá verse también afectado por la posible desconexión. UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) se considera un paso intermedio hasta LTE. Dicha tecnología podría considerarse la opción adecuada dado su ancho de banda y los bajos precios actuales de los módulos, sin olvidar la retrocompatibilidad con la tecnología GSM/GPRS. Si bien, también en este caso circula el rumor relativo a que esta tecnología se verá sustituida por LTE (LongTermEvolution). Esta previsión se hace cada vez más concreta a la vista del mayor ritmo actual de instalación de celdas LTE frente a las celdas UMTS. La adjudicación de licencias, válidas durante un periodo de 10 años (desde 2015), supone una referencia de la disponibilidad de determinados estándares.

Vista general de las tecnologías 

Por tanto, quedan las alternativas: GSM/GPRS para aplicaciones que aparezcan en el mercado en los próximos dos años o bien, de manera más coherente, módulos LTE. La primera alternativa es muy económica, su aceptación en la industria es muy amplia, no obstante, como ya se ha explicado, no ofrece una garantía de futuro en los próximos 10 a 15 años. Por el contrario, la tecnología LTE parece ser la solución con mayor proyección de futuro. Sin embargo, sin una solución alternativa, no es compatible con GSM/GPRS o UMTS. Además, su cobertura en regiones rurales es aún muy reducida y, por el momento, los precios superan en 8 veces los de los módulos GSM. En la actualidad, los productos disponibles con una velocidad de transmisión hasta 21 Mbps para la recepción de datos y 4,7 Mbps para el envío de datos son satisfactorios en la mayoría de los casos, si bien, el usuario debe decidir si el punto fundamental radicará en la velocidad de recepción o envío de datos. En las aplicaciones relacionadas con la técnica de seguridad o las instalaciones de medición y controles industriales, conforme a la experiencia acumulada, el envío de datos supone la magnitud fundamental. Teniendo en cuenta que en el pasado solo se transmitían unos pocos bits como, por ejemplo, en la transmisión de temperaturas o estados y, por tanto, era suficiente una velocidad de envío de datos hasta 42,8 Kbps, en el futuro se prevén velocidades de transmisión exorbitantes. En el caso de la tecnología LTE se dispone de una velocidad de transmisión hasta 300 Megabits por segundo para la recepción de datos y hasta 50 Megabits por segundo para el envío de datos. El ejemplo más llamativo es el del babyphone. Si bien en un principio bastaba con la transmisión de sonido, en la actualidad se transmiten también secuencias de vídeo y datos de sensores. Precisamente en las aplicaciones IoT se necesita una comunicación intensa entre la nube y el control industrial, lo que hará que el volumen de transmisión de datos crezca exponencialmente, de tal forma que la evolución futura seguirá la dirección de LTE, todo ello fundamentado también en la creciente complejidad de las actualizaciones de firmware y en las múltiples posibilidad es de los sistemas de control en el entorno industrial, que requieren tecnologías con un ancho de banda cada vez mayor. Esto no solo constituyó el tema fundamental del Wireless Congress celebrado este año en Barcelona, donde una empresa presentó ya equipos de medición para la quinta generación, también es el tema central de conversación con muchos de nuestros clientes. Los requisitos impuestos a los módulos son, por un lado, la comunicación con equipos de la generación más antigua a través de GPRS y, por otro, la disponibilidad de recursos libres para la transmisión de datos por radio. Además debe garantizarse la evolución de la solución técnica desde el punto de vista del software sin que sea necesario modificar el complejo diseño del hardware. Otro argumento en favor de la solución alternativa hacia las tecnologías GSM/GPRS, Edge y UMTS es, sobre todo, la accesibilidad del sistema de control en el campo de aplicación. Teniendo en cuenta que en las áreas rurales de Alemania y el resto de Europa, la extensión de la topología LTE no alcanza por el momento una cobertura total, se recomienda la integración de módulos LTE con dicha solución alternativa. Esto garantiza la accesibilidad del sistema de control industrial en cualquier ubicación, tanto hoy como en los próximos 2 a 5 años, hasta que la infraestructura de LTE haya alcanzado dichas zonas rurales. Gracias a su retrocompatibilidad hasta GSM/GPRS y una velocidad de recepción de datos hasta 300 Mbps, los módulos de la serie L8XX del fabricante Fibocom disponen de suficiente potencial para satisfacer también las tareas de aplicación futuras sin necesidad de adaptar el diseño del hardware. Como último aspecto, se plantea la cuestión relativa a la seguridad de la accesibilidad a los equipos finales en caso de averías en la topología de la red. Por ejemplo, a principios de marzo de 2016 cayó la red de Vodafone en amplias zonas de Alemania. Como prevención ante tales casos, por regla general se realiza una instalación redundante de las redes en las aplicaciones. A continuación se incluyen dos ejemplos de casos que muestran cómo se puede realizar esto en el diseño: 1) El sistema de control se encuentra en un edificio y tiene acceso a una conexión Ethernet: La prioridad número 1 recae en la tarjeta Ethernet. Si el host de comunicación del sistema de control no recibe respuesta, se activa una tarjeta LTE. En el momento en que Ethernet vuelve a estar disponible, la tarjeta LTE se desactiva y el sistema vuelve a comunicarse a través de Ethernet. 2) El sistema de control se encuentra en campo libre, sin acceso a Ethernet. En este caso tiene lugar un multiplexado de la entrada de la tarjeta SIM del módulo entre 2 tarjetas SIM, cada una de un proveedor diferente. Esto puede realizarse tal y como muestra en la figura. Para poder crear una verdadera redundancia, actualmente se recomienda utilizar dos módulos de diferentes tecnologías, p. ej. UMTS y LTE, cada uno con una tarjeta SIM de un proveedor diferente. Esta solución permite garantizar la continuación del servicio ante interrupciones debidas a la caída de bandas de frecuencia o averías en una celda completa. No obstante, esta es la solución más costosa. Por ello y conforme a la experiencia, se implementa preferentemente la variante de multiplexado de las tarjetas SIM.

Implementación gradual de los módulos:

Desde el punto de vista de la conexión del hardware, los módulos LTE se comportan de forma diferente a los productos GSM/GPRS que ya se hayan podido implementar. Mientras que en estos últimos, el contacto con el microcontrolador del host se realiza a través de UART, en el caso de los módulos LTE se recomienda el uso de la interfaz USB del host de la aplicación. Esto permite evitar, sobre todo, la aparición de un cuello de botella en la transmisión de datos entre el microcontrolador de la aplicación y el módulo LTE. En cambio, los fundamentos relativos al cable de antena de 50 ohmios y el hecho de que el cable de datos entre el módulo LTE y el soporte de la tarjeta SIM no debe superar 100 mm, permanecen idénticos. Otro punto fundamental es el dimensionado de la gestión de alimentación de energía. A este respecto se recomienda cumplir las especificaciones del fabricante del módulo incluidas en la documentación de aplicación. Si se dimensiona la gestión de alimentación de energía del módulo a un nivel cercano al límite inferior requerido por el fabricante, es posible que el módulo agote la batería del equipo durante la adquisición de la celda, donde el consumo puede alcanzar 1,8 A. Este riesgo existe especialmente en aquellas regiones en las que se dispone de una cobertura de red deficiente, lo que prolonga correspondientemente la adquisición de la celda hasta que el módulo se registra. En lo que respecta a la parte del diseño de hardware relacionada con las altas frecuencias es necesario verificar que todos los puntos de tierra queden conectados a la pista conductora del circuito impreso. En este caso se recomienda usar un circuito impreso de 4 niveles y tener en cuenta que los convertidores CC/ CC y conmutadores que funcionan a altas velocidades, así como otras posibles tecnologías de comunicación por radio, como los módulos Bluetooth o WLAN, debe situarse tan lejos como sea posible del módulo LTE. Para el desarrollo del software, los comandos AT relacionados con la aplicación son diferentes para LTE, GPRS y UMTS, mientras que los comandos estándar tales como los parámetros de red (AT+MCELL), la intensidad de la señal (AT+CSQ) y la información del proveedor (AT+COPS) permanecen igual. En principio se recomienda usar el entorno de desarrollo adecuado desde el inicio del desarrollo del software. Esta es una opción muy económica teniendo en cuenta el ahorro de tiempo que permite alcanzar al desarrollador. En un primer paso se establece la conexión entre el PC y el entorno de desarrollo (su placa base) vía RS232, es decir, el conector SUB-D9. De esta forma se evitan los errores debidos a la posible incompatibilidad de los controladores de USB. La configuración por defecto del establecimiento de contacto vía UART de algunos módulos LTE hace que entren en el modo de reposo si no se envía un comando desde la UART en el transcurso de aprox. 5 segundos. No obstante, es posible modificar esta función mediante un comando AT que controla los ajustes de la E²Prom del módulo, permaneciendo activo también tras el siguiente reinicio del módulo. Como herramienta software se recomiendan programas terminales tales como Hyperterminal o TeraTerm. Especialmente, Hyperterminal permite una excelente supervisión del flujo de datos desde y hasta el entorno de desarrollo a través de la función “Send and Enter”. El uso de TeraTerm es más sencillo. Tras seleccionar la velocidad de transmisión de datos (115200 baudios en el caso de los módulos LTE) y el puerto serie COM correctos, ya no hay nada que impida iniciar los primeros ensayos. No obstante, una pequeña desventaja de TeraTerm consiste en que el programa no reconoce el bloque de 10 teclas numéricas del teclado. Tras concluir estos primeros pasos satisfactoriamente, se recomienda instalar el correspondiente controlador USB del módulo para desarrollar el software de una forma más fiel a la aplicación. A continuación se introduce la tarjeta SIM de la placa base del entorno de desarrollo en su tarjeta secundaria con el módulo. Es importante desconectar previamente la fuente de alimentación externa utilizada para el suministro de tensión del entorno de desarrollo durante los primeros pasos. Ahora se conecta la tarjeta secundaria a través del conector MicroUSB2.0 o USB3.0. La interfaz USB se encarga asimismo del suministro de tensión a la tarjeta. Ahora es posible comunicarse con el módulo desde un programa terminal, siguiendo la guía de comandos AT. En el siguiente paso, es posible desconectar la tarjeta secundaria de la placa base y conectarla directamente a la aplicación a través de las ranuras de conexión puenteadas disponibles. En caso de fallos de funcionamiento, esto permite descartar el paso de diseño del hardware como posible causante del error y concentrarse en la mejora del software de la aplicación. Otra solución para la comprobación del software de la aplicación consiste en probar el montaje experimental mediante el software Hyperterminal mencionado anteriormente o programas tales como Microsoft VisualStudio o similares. Durante el último paso se elabora el diseño del hardware con el módulo para el prototipo del equipo. De esto puede encargarse Endrich. El ingeniero de aplicación designado se encargará de comprobarlo previamente y, a continuación, transmitirlo a Fibocom. Los desarrolladores del equipo de apoyo de dicha empresa se encargarán de optimizar el diseño basándose en su extensa experiencia. Por supuesto, antes de dicha medida es posible solicitar la firma de un NDA con Endrich para garantizar el cumplimiento de las normas de calidad y seguridad del cliente.


Etiquetas
gsm lte; gsm umts; modulos gsm


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