Simplificación de Internet de las Cosas por debajo de 1 GHz

Internet alcanzó un importante hito hace algo más de 10 años. Alrededor de 2004/5, según Cisco, llegamos a un punto en el que había tantos dispositivos (“cosas”) como habitantes del planeta conectados a Internet. De hecho, en la actualidad esta red global se denomina “Internet de las Cosas (“Internet of Things”, IoT). Se estima que en la actualidad hay entre tres y cuatro dispositivos conectados a Internet por persona y esta cifra casi se duplicará durante los tres próximos años, lo cual equivale a 26.000 millones de dispositivos en IoT para 2020 (según Gartner). Aunque muchas organizaciones están invirtiendo muchos recursos, es difícil prever el tamaño del mercado total de IoT. Las primeras previsiones indicaban más de 50.000 millones de dispositivos, pero una previsión más realista y reciente de ABI señala un total de 36.000 millones de dispositivos conectados a IoT en 2020. La previsión de ABI anticipa una cifra de 19.000 millones de nodos IoT, 11.000 millones de pasarelas y 6.000 millones de dispositivos móviles. El potencial de facturación para IoT en el futuro es aún más difícil de estimar debido a la novedad y el rápido crecimiento del sector. El McKinsey Global Institute estima una cifra situada entre 4 billones de dólares y 11 billones de dólares en 2025.
Sea cual sea el número real de dispositivos y la facturación asociada, está claro que IoT está llamado a constituir una parte importante del futuro. Al comparar IoT y el internet “normal”, queda claro que una proporción mucho mayor de su actividad en IoT corresponde a las comunicaciones entre máquinas (machine-to-machine, M2M). La información que circula por esta red se genera, interpreta, almacena y funciona principalmente por intervención directa de una persona. Cada uno de estos dispositivos embebidos de identificación única existe dentro de la infraestructura existente de Internet y, cuando se interconecta, facilitará la automatización prácticamente en todos los aspectos de la vida diaria, además de permitir aplicaciones avanzadas en el futuro. Muy pronto, de hecho, ya en 2020, se estima que dispositivos del hogar como electrodomésticos y sistemas de climatización superará al número de ordenadores en Internet. El rápido crecimiento de las aplicaciones se debe a la combinación de nuevos conceptos de producto (como los dispositivos portátiles para ejercicio físico) y fábricas inteligentes que se pueden controlar y supervisar de forma remota, así como la evolución de tecnologías consolidadas, por ejemplo, aplicaciones en hogares inteligentes (como iluminación automatizada y controles de calefacción). Los innovadores seguirán impulsando IoT para crear nuevas aplicaciones, algunas de las cuales ya se conocen, e indudablemente algunas en las que ni siquiera hemos pensado por el momento. Sin embargo, por definición, IoT se basa en la comunicación para su propia existencia y debido a ubicación remota de numerosos dispositivos, como sensores, las tecnologías de comunicación inalámbrica permiten la existencia del prometedor mundo de IoT.
Ecosistema de IoT
Ante la fuerte tendencia de aplicaciones que pasan de redes fijas a inalámbricas, todo el espectro de radio es un valioso activo ampliamente utilizado. La disponibilidad de ancho de banda del espectro resulta más crucial para la evolución de redes inalámbricas de sensores (wireless sensor networks, WSN) en IoT. En el entorno IoT, cada dispositivo conectado es un modo inteligente que detecta información y realiza algún tipo de proceso y acondicionamiento de señal, bien sea digital o analógico. Un ejemplo de ello sería el filtrado de señales valiosas frente al ruido con el fin de reducir el ancho de banda espectral necesario para comunicaciones de datos. En las configuraciones utilizadas habitualmente, los dispositivos sensores de IoT se comunican con una pasarela (o recopilador de datos) desde la cual se pueden enrutar los datos hacia Internet y un almacenamiento de datos cen transceptotralizado que proteja, almacene y procese la información de forma segura. La Fig. 1 ofrece una posible representación de un ecosistema IoT en el cual los datos de los sensores se gestionan de forma remota por medio de Internet. Los sensores y productos inalámbricos de Melexis se pueden utilizar en varias aplicaciones, tanto en los propios dispositivos sensores de IoT como en la pasarela que se conecta a Internet en general.
Por debajo de 1 GHz: mayores distancias
Existe un debate en todo el sector acerca del uso de radio por debajo de 1 GHz o de 2,4 GHz como portadora preferida para todo tipo de aplicaciones de comunicaciones inalámbricas de datos y detección. Dentro de la infraestructura IoT, 2,4 GHz significa a menudo tecnologías basadas en Bluetooth (como Bluetooth Low Energy, BLE) o Wi-Fi. Por debajo de 1 GHz se encuentran sobre todo las bandas ISM, por ejemplo, a 433,92 MHz o 868,3 MHz. Un sistema basado en 2,4 GHz ofrece una velocidad de proceso de los datos relativamente elevada, generalmente del orden de varios megabits por segundo (Mbps) para Wi-Fi y sustancialmente más baja de unos 260 kbps para BLE. Naturalmente, Wi-Fi es compatible con la infraestructura de WLAN como los enrutadores, y por tanto se puede conectar directamente a IoT. Las diversas versiones de Bluetooth se pueden conectar directamente a un dispositivo móvil, que a su vez proporcionan una conexión a IoT/Internet. Un inconveniente de un enlace inalámbrico de 2,4 GHz es su alcance relativamente corto (<10 m) debido a las altas pérdidas de propagación que se producen si se comparan con sistemas de menos de 1 GHz. Por debajo de 1 GHz es ideal si el largo alcance (hasta 1 km en exterior) es importante para la aplicación o instalación ya que proporciona altos niveles de robustez, así como una excelente inmunidad frente a señales perturbadoras mediante el uso de canales de radio de banda estrecha (a menudo del orden de 25 kHz). Además, los dispositivos que funcionan por debajo de 1 GHz suelen utilizar protocolos propios, su optimización es relativamente sencilla en cuanto a consumo eficiente y autonomía de la batería, dos factores fundamentales para sensores remotos en IoT alimentados por baterías o dedicados a la captación de energía. La Fig. 2 muestra diversas aplicaciones de IoT que destacan por aprovechar la tecnología por debajo de 1 GHz.
La aceptación de la frecuencia de portadora es importante
Un elemento importante al utilizar enlaces inalámbricos para cualquier aplicación, pero especialmente en aplicaciones de IoT, es la capacidad de que los nodos recep tores para hacer un seguimiento de las desviaciones de la frecuencia de portadora de los nodos transmisores. Los modernos receptores y transceptores de RF integrados utilizan la tecnología de cristal de cuarzo para generar una frecuencia de referencia local en cada dispositivo. Los cristales más económicos suelen ofrecer una estabilidad de frecuencia de ±10 ppm a ±50 ppm, aproximadamente. Los productos de RF menos integrados, a menudo basados en dispositivos como resonadores SAW, suelen ser menos estables con tolerancias de ±100 ppm. Los clásicos transceptores y receptores analógicos de RF suelen incorporar demoduladores con la misma fase. Generalmente emplean un circuito discriminador externo o un demodulador FSK integrado. Como resultado del principio de demodulación analógica, estos productos ofrecen un rango de aceptación de la frecuencia de portadora de hasta ±100 kHz. Si analizamos la frecuencia de portadora de un nodo transmisor de IoT de 868,3 MHz basada en una referencia de cristal de bajo coste con una tolerancia de ±50 ppm, la frecuencia central del nodo puede tener una dispersión de ±43 kHz. Es posible que este valor exceda la desviación de FSK, que es un parámetro fundamental de modulación. Los valores de desviación de FSK que suelen ser permisibles para aplicaciones de nodo sensor de IoT se encuentran entre ±10 kHz y ±50 kHz. No obstante, los productos de RF con demoduladores analógicos pueden aceptar una dispersión de la frecuencia de portadora superiores a la desviación de FSK debido a su amplia aceptación de la frecuencia de portadora. Los modernos productos de RF de alta integración realizan la demodulación y otras muchas operaciones necesarias de acondicionamiento de señal en el dominio digital. Esto es posible gracias a los modernos procesos de semiconductor basados en geometrías reducidas que permiten diseños de CI muy compactos. No obstante, debido a su naturaleza digital, la mayoría de modernos transcepto res de RF se caracterizan por unos rangos de aceptación de frecuencia de portadora relativamente pequeños si se comparan con sus homólogos analógicos ya existentes. Por tanto, la recepción de una señal procedente de un nodo sensor de IoT puede ser complicada para un receptor digital de RF si el nodo del sensor ofrece una mala precisión de frecuencia debido a la gran tolerancia del cristal.
Transceptores de RF de alta integración de Melexis
El moderno transceptor de RF MLX73290-M de Melexis proporciona una solución que funciona bien con las amplias tolerancias de la frecuencia de portadora. La Fig. 3 muestra el diagrama de bloques del MLX73290-M. Como se puede ver, una parte significativa del dispositivo se basa en la tecnología digital, mostrada en el recuadro de color gris. El MLX73290-M es un CI transceptor de RF multicanal que aprovecha la larga experiencia de Melexis en dispositivos inalámbricos de bajo consumo. El producto, que trabaja en bandas ISM por debajo de 1 GHz entre 300 MHz y 960 MHz, ofrece dos canales de RF, cada uno de ellos con un transmisor de potencia de RF programable (con detectores de potencia) y un receptor de RF de alta sensibilidad. Es totalmente programable mediante su interface SPI (serial peripheral interface). Este CI es muy adecuado para aplicaciones inalámbricas por debajo de 1 GHz como automatización de viviendas/edificios, supervisión de la presión de los neumáticos (tire pressure monitoring, TPMS), contadores automáticos (automatic meter reading, AMR), sistemas de alarma, sistemas pasivos de acceso sin llaves (passive keyless entry, PKE), diagnóstico médico y telemetría. Su nivel de potencia de salida es de -20 dBm a 13 dBm en 64 pasos, mientras que la sensibilidad de su receptor puede llegar hasta -120 dBm en un ancho de banda de 15 kHz. Con una velocidad máxima de transmisión de datos de 250 kbps, el transceptor también es capaz de asumir un procesamiento más rápido de los datos. Debido a su alto grado de programabilidad, los ingenieros que utilicen este CI cuentan con muchas posibilidades de configuración e implementación de una etapa de entrada de RF. Se puede ajustar una gran variedad de parámetros de RF (número de canales, resolución de frecuencia, salida, desviación de frecuencia, etc.), con el fin de cumplir determinados criterios de aplicación. Además, es compatible con las técnicas de modulación OOK (onoff keying), FSK (binary frequency shift keying), MSK (minimum shift keying), GMSK (Gaussian minimum shift keying) y GFSK (Gaussian frequency shift keying). Dos detectores de potencia de RF permiten aumentar la potencia radiada durante la transmisión y gracias a un interface para captación de energía se puede alimentar sin batería mediante una célula solar y un supercondensador.
Esto acentúa el valor del transceptor en lugares remotos sin suministro eléctrico. También hay disponibles tarjetas de evaluación y herramientas de software. El MLX73290-M se suministra en un encapsulado QFN de 32 terminales y 5 mm x 5 mm. Su rango de temperaturas de trabajo es de -40°C a 105°C y el rango de su tensión de alimentación es de 2,1 a 3,6V CC. El dispositivo incorpora un sintetizador PLL con una resolución de 60 Hz, una FIFO de 256 byte que se puede dividir en 128/128 para recepción/transmisión y un total de 4 puertos GPIO programables para conexión a otros elementos del sistema. Gracias a su función de recuperación de portadora, el transceptor MLX73290-M es capaz de tolerar una desviación de la frecuencia de portadora de hasta el doble de la velocidad de transmisión de datos en bruto (raw data rate, DR), que generalmente se expresa como ±2 x DR. El rango de aceptación de la frecuencia de portadora (Carrier Frequency Acceptance Range, CFAR) no depende del ajuste del AFC. El AFC permite sencillamente la recuperación de la portadora para converger en un valor determinado tras cada paquete, reduciendo a su vez la longitud de preámbulo si la aplicación puede tolerar la pérdida de unos pocos paquetes al inicio. La Fig. 4 ilustra la tasa de error de paquete (packet error rate, PER) respecto al CFAR. El ejemplo mostrado corresponde a una DR de 55,6 kbps con una desviación de FSK de ±50 kHz. Como se puede ver, existe una interrelación entre la longitud de preámbulo (la parte del paquete durante la cual trata de converger la recuperación de la portadora) y la PER.
Conclusión
Es indudable que a medida que crece sustancialmente la demanda de dispositivos IoT, consumidores y usuarios aumentarán la presión sobre los fabricantes de estos dispositivos, exigiéndoles que reduzcan costes con cada generación de productos. Esto conducirá inevitablemente a un mayor uso de cristales de bajo coste con mayores tolerancias de frecuencia en los nodos de sensores para lograr este objetivo. Dentro de la búsqueda por parte de diseñadores de soluciones elegantes a este equilibrio entre coste y prestaciones, el transceptor de RF MLX73290-M, con su amplio rango de aceptación de la frecuencia de portadora se convertirá en una solución popular para la recogida de datos en IoT, así como para nodos bidireccionales de red.