Materiales avanzados
Autor: Julian Clauß, Director Corporativo de Productos Inalámbricos de Rutronik
La pieza que faltaba en el rompecabezas de la IO
DECT NR+ llena un vacío importante en la conectividad inalámbrica al proporcionar un protocolo de comunicación fiable y estandarizado con una combinación sin igual de baja latencia, largo alcance, altas velocidades de datos, sin limitaciones de ciclo de trabajo y cobertura de frecuencia casi global, todo ello a un bajo coste. Esto la convierte en una verdadera alternativa a otras tecnologías inalámbricas.
Hoy en día, millones de dispositivos, máquinas, sensores y todo tipo de vehículos están conectados a través del Internet de las Cosas (IoT). A pesar de la amplia gama de tecnologías inalámbricas disponibles en la actualidad, algunos escenarios de red no eran posibles anteriormente con los estándares inalámbricos existentes debido a sus elevados costes y a su vulnerabilidad a las interferencias. La introducción de DECT NR+ (New Radio Plus) llena este vacío en el ecosistema IoT. DECT NR+ es el primer y único estándar de tecnología 5G no celular en todo el mundo.
De la telefonía inalámbrica a la automatización industrial
DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) se dio a conocer en 1992 y se introdujo un año después. En la actualidad, DECT se reconoce principalmente como un estándar para la telefonía inalámbrica y los dispositivos domésticos inteligentes, y está supervisado por el ETSI (Instituto Europeo de Normas de Telecomunicación), una organización independiente sin ánimo de lucro dedicada a la normalización en el campo de las tecnologías de la información y la comunicación. Ahora la frecuencia también está resultando interesante para aplicaciones muy diferentes.
DECT, que se originó en Europa, se ha convertido en el estándar más utilizado para teléfonos inalámbricos, sustituyendo a los antiguos analógicos que funcionaban en las bandas CT1 y CT2, ahora prohibidas para los usuarios finales. Además, DECT se ha introducido fuera de Europa, con varias versiones implantadas en Australia, gran parte de Asia, Sudamérica y, más recientemente, Norteamérica.
DECT se desarrolló originalmente para la itinerancia rápida entre estaciones base conectadas en red. Además de los teléfonos inalámbricos que se comunican con una estación base fija, las válvulas de calefacción, los enchufes o los interruptores de la luz también pueden establecer una conexión inalámbrica con determinados routers gracias a los estándares ULE con HAN-FUN basados en la tecnología DECT.
A lo largo de los años, DECT se ha ido desarrollando con nuevas variantes y nuevos códecs de audio. Casi 30 años después, DECT-2020 NR fue aprobado por la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) para el estándar IMT-2020 (= 5G). El Foro DECT denomina ahora al nuevo protocolo NR+ (New Radio Plus).
¿Qué es 5G y qué papel desempeña DECT NR+?
En telecomunicaciones, 5G representa el estándar tecnológico de quinta generación para redes celulares. Divide el área de cobertura en zonas geográficas más pequeñas llamadas células, que son atendidas por torres de transmisión. Las ventajas de la 5G en comparación con las generaciones anteriores incluyen velocidades de datos más rápidas, menor latencia, transmisión en tiempo real y la capacidad de dirigirse a más dispositivos simultáneamente dentro de la red. Para ello, el estándar 5G se divide en tres categorías de servicios que requieren características diferentes:
Las aplicaciones de banda ancha móvil extrema (eMBB) se dirigen principalmente a soluciones que requieren un gran ancho de banda, optimizan los dispositivos celulares y permiten el acceso inalámbrico fijo, como la transmisión móvil de vídeo UHD, las descargas de alta velocidad y las aplicaciones en ámbitos como la realidad aumentada (RA) y la realidad virtual (RV).
Las comunicaciones masivas de tipo máquina (mMTC) soportan la conectividad masiva de dispositivos en aplicaciones IoT. Esta área debe priorizar la maximización del número de conexiones posibles, garantizando al mismo tiempo bajas velocidades de transmisión de datos y minimizando el consumo de energía. Para dar cabida al elevado número de conexiones en una red, debe garantizarse una transmisión sin colisiones. Una aplicación típica serían estadios de fútbol llenos o grandes eventos con varios miles de usuarios de dispositivos finales en los que solo se necesita una torre de telefonía móvil gracias al 5G.
La comunicación ultra confiable de baja latencia (URLLC) es la tercera función clave de la 5G que permite conexiones fiables con baja latencia. En aplicaciones críticas, es esencial garantizar una comunicación robusta y a prueba de fallos con retrasos mínimos. Por ejemplo, la URLLC es esencial para aplicaciones como la conducción autónoma, la agricultura de precisión, la automatización industrial en la que el tiempo es un factor crítico y las infraestructuras críticas de las empresas de servicios públicos.
Dentro del espectro 5G, DECT NR+ aborda mMTC y URLLC, ofreciendo una comunicación altamente escalable y fiable con baja latencia y alcances ampliados. Esto hace que DECT NR+ resulte especialmente atractivo para aplicaciones que requieren mMTC y/o URLLC (Fig. 1). El direccionamiento IPv6 permite llegar a todos los abonados del mundo.
Figura 1. Diagrama del triángulo 5G. DECT NR+ complementa mMTC y URLLC como solución de comunicación rentable, energéticamente eficiente y flexible en bandas de frecuencia sin licencia (fuente: Nordic Semiconductor).
¿Cómo funciona DECT NR+ y cuáles son sus características especiales?
A diferencia de muchos otros estándares inalámbricos, DECT NR+ está especialmente diseñado para uso industrial. Su singularidad radica en la combinación de tecnologías probadas y adaptadas a los requisitos de la Industria 4.0, como la escalabilidad, la robustez, la estandarización y el funcionamiento en bandas de frecuencia sin licencia.
DECT NR+ admite las tres topologías de red: punto a punto, estrella y malla, por lo que es un estándar flexible para satisfacer los requisitos de diversas aplicaciones. Una característica clave de la red en malla NR+ son sus propiedades de autorreparación y autoorganización. Cada nodo puede servir de punto de acceso con conexión directa a Internet: Si falla un nodo de la red de malla, los datos se encaminan automáticamente a través de los nodos vecinos. Esta característica elimina los puntos únicos de fallo dentro de la red y resuelve automáticamente problemas como los fallos de los dispositivos causados por defectos, mantenimiento o reestructuración, que ocurren con frecuencia en las densas redes IoT, todo ello sin necesidad de intervención humana ni de un operador central.
NR+ ofrece la misma baja latencia y alta fiabilidad que antes eran exclusivas de las conexiones por cable o de las redes celulares gestionadas por terceros y de pago. Por primera vez, los sistemas de baja latencia pueden funcionar de forma inalámbrica a lo largo de muchos kilómetros a velocidades de varios megabits por segundo. Además, la tecnología es altamente escalable y admite hasta un millón de nodos por kilómetro cuadrado dentro de una misma red.
DECT NR+ opera en la banda de 1,9 GHz, que puede utilizarse (casi) en todo el mundo. Es menos propensa a interferencias que las bandas de frecuencias ISM y SRD tradicionales y puede utilizarse sin licencia ni tasas, a diferencia de las frecuencias celulares, que los operadores de redes móviles (ORM) adquieren a un precio considerable mediante subastas. NR+ puede utilizarse para crear una red privada independiente de las redes celulares o las tarjetas SIM. Esto ayuda a evitar elevados costes de licencia o a superar obstáculos normativos. Los entornos críticos para la seguridad se benefician de una red totalmente independiente y controlable localmente.
La norma se ha desarrollado teniendo en cuenta la eficiencia energética, un factor crucial sobre todo para los dispositivos IoT alimentados por batería. Gracias a protocolos de transmisión y recepción eficientes y algoritmos de compresión, los dispositivos pueden funcionar durante varios años, en función de la capacidad de la batería y el volumen de comunicación.
DECT NR+ comparado con otras tecnologías equivalentes
DECT NR+, LoRa, Sigfox, Mioty, LTE-M o NB-IoT: Cada tecnología tiene sus propias características, ventajas y ámbitos de aplicación.
SigFox, Mioty y LoRa forman parte de la red de área extensa de bajo consumo (LPWAN). En este ámbito, los datos pueden transmitirse a lo largo de muchos kilómetros con un bajo consumo de energía, pero también a una velocidad de transmisión de datos inferior. SigFox, Mioty y LoRa llevan varios años en el mercado y, por tanto, son conocidos por sus limitaciones. Mientras que SigFox no logró establecer una infraestructura completa y ha perdido protagonismo con el tiempo, los usuarios de Mioty y LoRa tienen que construir sus propias redes. Por ejemplo, algunas ciudades ya han creado su propia red LoRaWAN para conectar a Internet sensores que ahorran datos. Las tres LPWAN utilizan la gama de frecuencias sub-GHz, disponible públicamente y libre de licencia. Sin embargo, como las frecuencias libres son accesibles a todo el mundo y las utilizan otras innumerables aplicaciones inalámbricas, un gran volumen de señales puede provocar interferencias. Además, existen importantes restricciones de uso. Un dispositivo no puede transmitir más del uno por ciento del tiempo, lo que puede plantear problemas a los enrutadores cuando tienen que enviar mensajes de acuse de recibo a miles de sensores en un corto espacio de tiempo. Esto también hace prácticamente imposible transferir actualizaciones de firmware.
Otra desventaja de las tecnologías basadas en la banda sub-GHz es la limitación regional. Se espera que los dispositivos fabricados para Europa utilicen la banda SRD de 868 MHz, mientras que en EE.UU. se dispone de 915 MHz y en Japón y otras partes del mundo se aplican otros rangos de frecuencia. Los dispositivos fabricados con NR+ funcionan en la misma frecuencia en todo el mundo, lo que permite un único proceso de certificación. Esto significa que el rendimiento de la antena sólo tiene que calibrarse una vez y que la logística de los componentes puede agilizarse en determinadas condiciones.
A diferencia de las LPWAN sin licencia, LTE-M y NB-IoT utilizan el espectro con licencia asignado exclusivamente a los operadores de redes móviles. Las dos tecnologías inalámbricas estandarizadas se benefician de la ya amplia cobertura de red mundial. En comparación con LTE-M, NB-IoT sobresale en términos de eficiencia energética y penetración en edificios, pero viene con velocidades de datos notablemente más bajas y una latencia más alta y carece de la capacidad de cambiar de celda durante una transmisión activa. En cambio, LTE-M tiende un puente entre LTE y NB-IoT: LTE-M se desarrolló específicamente para soluciones IoT que, de otro modo, serían demasiado grandes y consumirían demasiada energía para LTE y no ofrecerían la movilidad y el ancho de banda necesarios para NB-IoT.
La tendencia hacia dispositivos IoT cada vez más conectados en red en todo el mundo no sólo impone exigencias significativas a la infraestructura, sino que también acentúa la necesidad de soluciones rentables y fiables que den prioridad al bajo consumo de energía. En comparación con otras tecnologías inalámbricas LPWAN, DECT NR+ ofrece un impresionante compromiso entre alcance y latencia combinado con un bajo consumo de energía. En particular, DECT NR+ ofrece una escalabilidad excepcional, altas velocidades de transmisión de datos en la banda de frecuencias de 1,9 GHz, libre de licencia, y funciona con independencia de los proveedores de redes celulares y de las tarjetas SIM, lo que se traduce en un importante ahorro de costes y la convierte en una nueva alternativa muy interesante.
El cuadro 1 ofrece una visión general de las distintas tecnologías.
* Para funcionamiento a baja potencia, 3 Mbps; pero técnicamente es posible hasta 9 Gbps.
Tabla 1. Resumen de las diferencias y posibles usos de las seis tecnologías en distintos ámbitos de aplicación
Ejemplos de aplicación
DECT NR+ puede resultar interesante como alternativa rentable a las soluciones existentes y abre posibilidades para aplicaciones que aún no se han implementado. NR+ es, por tanto, especialmente adecuado para aplicaciones IoT industriales, medición inteligente, ciudades inteligentes y aplicaciones de audio profesional.
DECT NR+ ofrece características únicas que desempeñan un papel clave en el IoT industrial actual (IIoT) y en la Industria 4.0. La densa topología de red de NR+ da cabida a un número excepcionalmente elevado de nodos, lo que la hace ideal para operaciones a gran escala. La comunicación en tiempo real entre varios dispositivos y máquinas, así como una topología de malla autoorganizada y autorreparable, son cruciales para la automatización y optimización de los procesos de producción.
Las ciudades inteligentes contribuirán a reducir las emisiones de dióxido de carbono a través de diversas aplicaciones, como la gestión del tráfico, la localización de plazas de aparcamiento, la optimización de la recogida de residuos, la mejora del alumbrado público y el almacenamiento de energía, entre otras muchas. Todas estas aplicaciones requieren soluciones de supervisión y control remotas que estén conectadas a varios centros de control a través de una red. NR+ se ha diseñado para soportar redes de malla inalámbricas muy fiables y potentes, lo que hace que esta comunicación extremadamente escalable sea factible y práctica. También permite aplicaciones adicionales, como transmisiones de audio en zonas urbanas y la conexión de cámaras de vigilancia fijas o incluso móviles en vehículos de transporte público. Los pequeños centros urbanos -como aeropuertos, campus y centros comerciales- suelen tener una alta concentración de casos de uso variados que exigen una red fiable, de baja latencia y alto tráfico de datos, y estos entornos se beneficiarían enormemente de una red DECT NR+ privada y rentable.
El mercado de la energía inteligente ya está bien establecido y sin duda seguirá creciendo. Una de las principales ventajas de NR+ es que ofrece una alternativa estandarizada a las soluciones propietarias que ya se utilizan. Su topología de red en malla también permite la conexión de varias agrupaciones locales, aumentando así el alcance global. Al utilizar la banda de frecuencias mundial de 1,9 GHz, libre de licencias, DECT NR+ permite una solución estandarizada que puede implantarse en todo el mundo con costes optimizados. Por tanto, DECT NR+ puede emplearse en contadores inteligentes, por ejemplo para registrar datos de consumo de energía y agua en tiempo real y transmitirlos a diversas empresas de servicios públicos. Además de transmitir datos de consumo, la comunicación bidireccional también permite el control remoto de contadores y dispositivos, como el apagado por control remoto de lavadoras inteligentes o el envío de información sobre cambios de tarifas a los consumidores domésticos.
Figura 2. Los primeros productos compatibles con el protocolo DECT NR+ (fuente: Nordic Semiconductor)
Los micrófonos inalámbricos y los sistemas de transmisión de audio también se benefician de la nueva tecnología. DECT NR+ ofrece una transmisión estable, sin interferencias y con baja latencia, lo que es absolutamente esencial en entornos en directo. Especialmente en grandes eventos en áreas extensas, como conciertos, festivales o estadios de fútbol, es posible transmitir sin perturbaciones en la banda de frecuencia de 1,9 GHz, independientemente de muchas fuentes de interferencia de 2,4 GHz (Bluetooth, Wi-Fi).
Primeros productos con DECT NR+ disponibles
Nordic Semiconductor es actualmente el único proveedor del mercado que admite el protocolo DECT NR+ y ya ofrece sus propios módulos compatibles con DECT NR+. El software de malla se obtiene del proveedor externo finlandés Wirepas y el software de audio, de Lynq.
Nordic Semiconductor ofrece actualmente tres productos DECT NR+ de la serie nRF91: nRF9161 SiP, nRF9151 SiP y nRF9131 mini SiP.
nRF9151 es una solución de sistema en paquete (SiP) altamente integrada y compacta diseñada específicamente para aplicaciones IoT celulares y DECT NR+. Mediante el uso de tecnología LTE de bajo consumo, capacidades de procesamiento avanzadas y sólidas funciones de seguridad, nRF9151 ofrece un alto rendimiento y versatilidad y es compatible con 3GPP Release 14 LTE-M/NB-IoT y DECT NR+.
Los tres módulos están equipados con un potente procesador ARM Cortex-M33, que gestiona el procesamiento del protocolo de comunicación y la aplicación del cliente y, por lo tanto, no requiere ningún microcontrolador adicional en los dispositivos finales. Para seleccionar la mejor comunicación posible y más eficiente energéticamente para su aplicación, todos los módulos admiten LTE-M, NB-IoT y posicionamiento GNSS, además de DECT NR+. Las tres variantes son casi idénticas en cuanto a su funcionalidad. Sin embargo, existen pequeñas diferencias entre los módulos: En comparación con su predecesor (nRF9161), el nRF9151 ocupa un 20% menos de espacio. Además, admite otra clase de potencia 5 gracias a una potencia de salida de 20 dBm. En cambio, nRF9131 es más adecuado para aplicaciones IoT celulares de gran volumen que requieren certificación individual, lo que puede resultar algo costoso para los clientes. Por otro lado, está diseñado específicamente para aplicaciones DECT NR+, que no requieren licencia y no dependen en absoluto de las redes celulares. Por lo tanto, es más probable que el nRF9151 o el nRF9161 se utilicen para un posible escenario alternativo a la radio celular si una pasarela NR+ no está dentro del alcance. Además, al omitir el PMIC (circuito integrado de gestión de potencia), el nRF9131 es mucho más pequeño que el nRF9151.
