Comparación de tecnologías inalámbricas de baja potencia (Parte 1)

Nota del Editor: En la parte 1 de esta serie de tres partes se analizarán en detalle las principales opciones inalámbricas de baja potencia disponibles para los diseñadores. La Parte 2 examinará los fundamentos de diseño de cada tecnología, tales como la disponibilidad de chips, las pilas de protocolos, las aplicaciones de software, las herramientas de diseño, los requisitos de antena y el consumo/duración de la batería. La Parte 3 de la serie considera los desarrollos actuales y futuros, diseñados para satisfacer los retos de la IoT para cada tecnología. También incluirá una introducción a algunas nuevas interfaces y protocolos, como Wi-Fi HaLow y Thread.

Los acontecimientos recientes se han centrado en gran medida en la Conectividad para Internet de las cosas (IoT) donde los sensores recopilan y comunican datos y señales. Los ejemplos de productos finales son muy variados, y van desde los teléfonos inteligentes, dispositivos de uso personal para salud y fitness (Figura 1), hasta la domótica, los contadores inteligentes y el control industrial. Todos tienen limitaciones de diseño que incluyen un consumo ultrabajo de energía, el bajo costo y un pequeño tamaño físico.

Este artículo intenta debatir y contrastar las principales opciones inalámbricas de baja potencia. Se discutirán los fundamentos de cada tecnología y sus principales atributos operativos, tales como la banda(s) de frecuencia, el apoyo de la topología de red, el rendimiento, el rango y la coexistencia. Se incluirán soluciones de muestra.

Figura 1: Los dispositivos de uso personal son un sector clave del mercado para las tecnologías inalámbricas de baja potencia. (Fuente de la imagen: Nordic Semiconductor)

Concesiones con la baja potencia

Ahora, los ingenieros tienen muchas opciones cuando se trata de tecnologías inalámbricas de baja potencia, incluyendo tecnologías basadas en RF como Bluetooth de baja energía, ANT, ZigBee, RF4CE, NFC, Nike+, y conexión inalámbrica a Internet gratuita, además de opciones de infrarrojos que son los bastiones de la Infrared Data Association (IrDA).

Pero esta gran variedad hace más difícil el proceso de selección. Cada tecnología hace concesiones entre el consumo de energía, el ancho de banda y el rango. Algunas están basadas en estándares abiertos, mientras que otras siguen siendo propietarias. Para complicar aún más las cosas, continúan surgiendo nuevas interfaces y protocolos inalámbricos para atender a las necesidades de la IoT. Una de ellas es el Bluetooth de baja energía.

Introducción a Bluetooth de baja energía

Bluetooth de baja energía comenzó su vida como un proyecto en el Centro de Investigación de Nokia bajo el nombre de Wibree. En 2007, la tecnología fue adoptada por el Grupo de Interés Especial Bluetooth (SIG), que introdujo la tecnología como una forma de consumo de energía ultrabajo de Bluetooth cuando se presentóla versión 4.0 (v4.0) en 2010.

La tecnología amplió el ecosistema de Bluetooth para aplicaciones con capacidades de batería pequeña, como los dispositivos de uso personal. Con corriente promedio de microamperios en las aplicaciones de destino, complementa a los 'clásicos' populares de Bluetooth en teléfonos inteligentes, auriculares inalámbricos y computadoras de escritorio.

La tecnología opera en la banda de 2,4 GHz industrial, científica y médica (ISM) y es apta para la transmisión de datos desde sensores compactos inalámbricos u otros periféricos donde se puede utilizar la comunicación completamente asincrónica. Estos dispositivos envían bajos volúmenes de datos (es decir, unos pocos bytes) con poca frecuencia. Su ciclo de trabajo tiende a variar desde unas pocas veces por segundo a una vez cada minuto, o más.

A partir del Bluetooth v4.0, la especificación de núcleo Bluetooth define dos tipos de chip: El chip Bluetooth de baja energía y el chip Bluetooth con una pila modificada y la capa física (PHY) de tasa básica (BR)/tasa de datos mejorada (EDR) de versiones anteriores, combinada con una PHY de consumo bajo de energía (LE) ("BR/EDR + LE") de tal manera que sea interoperable con todas las versiones y variantes de chips de la serie. Los chips de baja energía Bluetooth pueden interoperar con otros chips Bluetooth de baja energía y chips Bluetooth adhiriéndose a Bluetooth v4.0 o posterior.

En muchas aplicaciones de consumo, un chip Bluetooth de baja energía funciona en conjunción con un chip Bluetooth, pero gracias a las mejoras realizadas al estándar introducido en las versiones 4.1, 4.2 y 5, los chips Bluetooth de baja energía se utilizan cada vez más como dispositivos independientes.

La reciente introducción de la especificación Bluetooth 5 ha aumentado la velocidad de transferencia de datos sin procesar de Bluetooth de baja energía de 1 a 2 Mbit/s y ha mejorado la gama en hasta 4 veces en comparación con la versión anterior. Se debe tener en cuenta que el máximo rendimiento y gama no pueden alcanzarse simultáneamente, es un clásico compromiso. El Bluetooth SIG también ha aprobado recientemente la malla de Bluetooth 1.0, que permite configurar la tecnología en una topología de red de malla, que se describe con más detalle en la parte 3 de esta serie.

Para un resumen detallado de Bluetooth de baja energía, ver “SoC y herramientas de Bluetooth de baja energía compatibles con Bluetooth 4.1, 4.2 y 5 que responden a los desafíos de IoT (Parte 1)”.

¿Qué es ANT?

ANT es comparable a Bluetooth de baja energía en cuanto a que es un protocolo inalámbrico de potencia ultrabaja y funciona en la banda ISM de 2,4 GHz. Al igual que el Bluetooth de baja energía, está diseñado para los sensores alimentados a celda tipo moneda, capaces de ofrecer meses o años de duración de la batería. El protocolo fue publicado en 2004 por Dynastream Innovations, una compañía canadiense ahora parte de Garmin. Dynastream Innovations no fabrica silicio, en lugar los diseñadores pueden obtener su firmware de transceptores de 2,4 GHz de compañías como Nordic Semiconductor, con el SoC nRR51422, y Texas Instruments (TI). No obstante, también ofrecen una gama de módulos de RF plenamente probados y verificados, que ejecutan el protocolo ANT y requieren poco esfuerzo de integración de diseño y ya han pasado la certificación reglamentaria.

Aunque ANT es un protocolo RF patentado, se aboga por la interoperabilidad mediante ANT+ Red gestionada. ANT+ facilita la interoperabilidad entre los dispositivos ANT+ miembro de Alliance y la recolección, transferencia automática y el seguimiento de los datos de los sensores. Se garantiza la interoperabilidad por medio de los perfiles de dispositivo; cualquier dispositivo ANT+ que implementa un perfil de dispositivo específico es interoperable con cualquier otro dispositivo ANT+ que aplica el mismo perfil de dispositivo. Los nuevos productos deben someterse a una prueba de certificación de la tecnología ANT+ en cuanto a la interoperabilidad. La Certificación está gestionada por ANT+ Alliance.

ANT y ANT+ fueron originalmente pensadas para el segmento de deportes y fitness, pero más recientemente el producto ha sido utilizado para aplicaciones en el hogar y en el sector de automatización industrial. El protocolo está sujeto a un desarrollo continuo, con el anuncio más reciente en la versión de ANT BLAZE, una tecnología pensada en las empresas, de malla para aplicaciones de IoT de alto recuento de nodos. (Véase la Parte 3).

¿Qué pasa con ZigBee?

ZigBee es una especificación inalámbrica de baja potencia que utiliza PHY y MAC (control de acceso a medios) basados en el estándar IEEE 802.15.4. Además, ésta ejecuta un protocolo que está controlado por ZigBee Alliance. La tecnología fue diseñada para las redes de malla (dándole impulso a algunas tecnologías de la competencia) en los sectores industriales y de automatización del hogar.

ZigBee funciona en la banda ISM de 2,4 GHz, así como 784 MHz en China, 868 MHz en Europa, y 915 MHz en EE.UU. y Australia. Las tasas de datos varían de 20 Kbits/s (banda de 868 MHz) a 250 Kbits/s (banda de 2,4 GHz). ZigBee utiliza 16 canales de 2 MHz separados por 5 MHz, por eso es algo ineficaz en términos de espectro a causa de la asignación no utilizada.

ZigBee PRO, lanzado en 2007, proporciona características adicionales requeridas para implementaciones robustas, incluida la seguridad mejorada. ZigBee Alliance acaba de anunciar la disponibilidad de ZigBee PRO 2017, una red de malla capaz de operar en las bandas de frecuencia ISM de 2,4 GHz y 800 - 900 MHz simultáneamente. (Véase la Parte 3 de esta serie para más información).

¿La RF4CE satisface todas las expectativas?

La Radio Frecuencia de la Electrónica de Consumo (RF4CE) está basada en ZigBee, pero con un protocolo personalizado para las necesidades de control remoto de RF. RF4CE fue estandarizada en 2009 por cuatro empresas de electrónica de consumo: Sony, Philips, Panasonic y Samsung. La tecnología está apoyada por varios proveedores, incluidos Microchip, Silicon Labs, y Texas Instruments. El uso previsto de RF4CE es un sistema de control remoto de dispositivo, por ejemplo para los decodificadores de TV. Utiliza la tecnología de RF para superar la interoperabilidad, la línea de visión y los inconvenientes de función limitada de control remoto de infrarrojos (IR).

Recientemente, RF4CE ha enfrentado una dura competencia de Bluetooth de baja energía y ZigBee para aplicaciones de control remoto.

¿Cómo se compara la tecnología Wi-Fi?

Wi-Fi, basada en el estándar IEEE 802.11, es una tecnología inalámbrica muy eficiente; sin embargo, está optimizada para grandes transferencias de datos con rendimiento de alta velocidad, en lugar de bajo consumo de energía. Como tal, Wi-Fi no es apta para el funcionamiento de baja potencia (celda tipo moneda). En los últimos años, se han realizado mejoras para favorecer el consumo de energía, incluidas las enmiendas como el estándar IEEE 802.11v (para especificar configuración de dispositivos del cliente mientras está conectado a redes inalámbricas).

El estándar IEEE 802.11ah ( Wi-Fi "HaLow"), lanzado en 2017, opera en la banda ISM de 90 MHz, y se beneficia de un menor consumo de energía y de rango extendido en comparación a versiones de Wi-Fi que operan en las bandas de 2,4 y 5 GHz. (Véase la Parte 3).

¿Es NIKE+ una opción?

Nike+ es una tecnología inalámbrica patentada y desarrollada por el fabricante de ropa deportiva Nike y dirigida al mercado de fitness. Se ha diseñado principalmente para vincular un "podómetro" Nike integrando un chip de radio de 2,4 GHz con dispositivos móviles de Apple que analizan y presentan los datos recogidos. Mientras sigue siendo popular entre un grupo dedicado de aficionados al fitness, el hardware está en descenso porque la nueva generación de teléfonos inteligentes incorpora la misma tecnología. Nike ha descartado su producto inalámbrico de banda de fitness para centrarse en el software de aplicaciones para teléfonos inteligentes en su lugar.

La tecnología inalámbrica patentada, en la cual se basa el sistema Nike+ todavía está en uso para productos tales como ratones y teclados inalámbricos. En el caso de que la interoperabilidad no sea un requisito, una tecnología similar, como la nRF24LE1 de Nordic Semiconductor ofrece un rendimiento comparable a las tecnologías tales como Bluetooth de baja energía, por ejemplo, sin la necesidad de satisfacer el cumplimiento de los estándares.

¿No ofrece IrDA ya la solución a los problemas de comunicación de corto alcance?

La Infrared Data Association (IrDA) comprende alrededor de 50 compañías y ha publicado varios protocolos de comunicación por infrarrojos bajo el nombre IrDA. IrDA no es una tecnología basada en radiofrecuencia, sino que emplea impulsos modulados de luz de infrarrojos para transferir información. Las ventajas clave de la tecnología son seguridad integrada, ya que no es RF, muy baja tasa de errores de bit (BER) (lo cual mejora la eficiencia), la ausencia de requisitos de certificación de cumplimiento de normativas, y el bajo costo. La tecnología también está disponible en una versión de alta velocidad, ofreciendo 1 Gb/s de velocidad de transferencia.

La desventaja de la tecnología de infrarrojos es el alcance limitado (especialmente para la versión de alta velocidad), su "línea de visión" como requisito, y la falta de comunicación bidireccional en implementaciones estándar. IrDA tampoco es particularmente eficiente en energía (en términos de energía por bit) en comparación con las tecnologías de radio. Para aplicaciones de control remoto básico donde el costo es un parámetro de diseño clave, IrDA retiene la cuota de mercado, pero cuando se exigen características de control mejoradas, tales como las necesarias para los TV inteligentes, los diseñadores eligen más a menudo especificar Bluetooth de baja energía y RF4CE.

¿Dónde colocar NFC?

La Comunicación de Campo Próximo (NFC) funciona en la banda ISM de 13,56 MHz. En esta baja frecuencia, las antenas de lazo de transmisión y recepción funcionan principalmente como el bobinado primario y secundario de un transformador, respectivamente. La transferencia de datos es a través del campo magnético en lugar del campo eléctrico adjunto porque éste es menos dominante en las distancias cortas. NFC transfiere datos a velocidades de hasta 424 Kbits/s. Como su nombre lo indica, está diseñado para la comunicación de corto alcance que funciona con una distancia máxima de hasta 10 cm. Esta limitación evita la competencia directa con Bluetooth de baja energía, ZigBee, Wi-Fi y tecnologías similares. Los fabricantes como NXP USA proporcionan el silicio como el transceptor NFC CLRC66303.

Una ventaja clave es que los dispositivos NFC "pasivos" (por ejemplo, las tarjetas de pago) no requieren alimentación, y se activan cuando están cerca de un dispositivo NFC alimentado. NFC ha ganado aceptación generalizada en las tecnologías de pago sin contacto y como método de emparejamiento de otras tecnologías inalámbricas como los dispositivos Bluetooth de baja energía, sin el peligro de los ataques a la seguridad por parte del "intermediario". Es probable que NFC pueda obtener una buena cuota de mercado como una tecnología para aplicaciones de nicho para complementar otras tecnologías inalámbricas discutidas aquí.

Las topologías de red

Las tecnologías inalámbricas de baja potencia admiten hasta cinco principales topologías de red:

Broadcast: Se envía un mensaje desde un emisor a cualquier receptor dentro de un rango. El canal es unidireccional sin ninguna confirmación de que el mensaje haya sido recibido.

Peer-to-peer: Dos transceptores son enlazados en un canal bidireccional en virtud del cual los mensajes pueden ser reconocidos y se pueden transferir datos en ambos sentidos.

Star: Un transceptor central se comunica a través de canales bidireccionales con varios transceptores periféricos. Los transceptores periféricos no pueden comunicarse directamente entre sí.

Escaneo: Un dispositivo de escaneo central permanece en modo de recepción, a la espera de recoger una señal desde cualquier dispositivo transmisor dentro del alcance. La comunicación es en una sola dirección.

Malla: Se puede transmitir un mensaje desde un punto en una red a cualquier otro mediante un salto bidireccional a través de canales que conectan múltiples nodos (normalmente usando los servicios de nodos con funciones adicionales, tales como concentradores y relés).

Las figuras 2a, b, c, d, y e ilustran las topologías de red, y la Tabla 1 resume las topologías a las que cada una de las tecnologías inalámbricas analizadas anteriormente ofrecen soporte.

Figura 2: Las tecnologías inalámbricas de baja potencia han evolucionado para ofrecer topologías de red cada vez más complejas. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

B (Bluetooth de baja energía), A (ANT), A+ (ANT+), Zi (ZigBee), RF (RF4CE),
Wi (Wi-Fi), Ni (Nike+), Ir (IrDA), NF (NFC)

1. El modo de recepción continua debe ser activado para los nodos que escuchan las señales de radiodifusión.
2. Se detiene todo el tráfico de red y el consumo de energía es alto.

Tabla 1: Soporte de topología de red para tecnología inalámbrica de baja potencia. (Fuente de Tabla: DigiKey)

Rendimiento de tecnología inalámbrica de baja potencia

Rango

El rango de una tecnología inalámbrica se considera a menudo como proporcional a la potencia de salida del transmisor, combinado con la sensibilidad de un receptor de RF que se mide en decibelios (el "presupuesto de enlace"). Una mayor potencia de transmisión y una mayor sensibilidad aumentan el rango debido a la mejora en la eficacia de la relación señal-ruido (SNR). SNR es una medida de la capacidad de un receptor para extraer correctamente y descodificar una señal del ruido ambiental. En un umbral de SNR, el BER excede la especificación de la radio y la comunicación falla. Un receptor de Bluetooth de baja energía, por ejemplo, está diseñado para tolerar un BER máximo de sólo alrededor del 0,1%.

La potencia máxima de salida en la banda ISM de 2,4 GHz libre de licencia está limitada por los organismos reguladores. Generalmente, las reglas son complejas, pero esencialmente dictan que los picos de potencia de transmisión, medidos en la entrada de antena de un sistema de saltos de frecuencia con menos de 75, pero al menos 15 frecuencias de salto, deben estar limitados a un máximo de +21 dBm, con una reducción en la salida si la ganancia de la antena isotrópica es superior a 6 dBi. Esto permite un máximo equivalente de potencia radiada isotrópica (EIRP) de +27 dBm.

Además de esta regulación, las tecnologías inalámbricas de baja potencia incluyen restricciones de especificaciones a la transmisión de energía para maximizar la duración de la batería. Gran parte de la energía se conserva mediante la limitación del tiempo en que la radio se encuentra en un estado de recepción o transmisión de alta potencia, pero los fabricantes de chip RF también ahorran energía limitando su máxima potencia de transmisión de Bluetooth de baja energía normalmente a +4 dBm, y ocasionalmente a +8 dBm, muy por debajo de los +21 dBm que son el límite fijado por la normativa.

Sin embargo, la potencia de transmisión y la sensibilidad no son los únicos factores que limitan el alcance de los dispositivos inalámbricos. El entorno operativo (por ejemplo, la presencia de techos y paredes), la frecuencia del portador de RF, el diseño, la mecánica y los sistemas de codificación todos entran en juego. El rango está normalmente indicado para un entorno "ideal", pero los dispositivos se utilizan a menudo en entornos donde no se ve seriamente comprometido. Por ejemplo, las señales de 2,4 GHz están fuertemente atenuadas por el cuerpo humano, de modo que un dispositivo portátil desgastado por el uso en la muñeca puede tener dificultades para transmitir a un teléfono inteligente que se lleva en un bolsillo posterior, aunque pueda estar sólo a un metro de distancia.

Esta lista muestra los rangos típicos que pueden esperarse de las tecnologías alimentadas de ultrabaja potencia en un entorno sin obstáculos, sin la interferencia de otras fuentes ópticas o de RF:

• NFC: 10 cm
• IrDA de alta velocidad 10 cm
• Nike+: 10 m
• ANT(+): 30 m
• Wi-Fi de 5 GHz: 50 m
• ZigBee/RF4CE: 100 m
• Bluetooth de baja energía: 100 m
• Wi-Fi de 2.4 GHz: 150 m
• Bluetooth de baja energía que utiliza la capacidad de rango extendido de Bluetooth 5: 200 a 400 m (dependiendo del esquema de código de corrección de error directo)

Rendimiento

Las transmisiones de las tecnologías inalámbricas de baja potencia se componen de dos partes: los bits que implementan el protocolo (por ejemplo, el identificador y longitud del paquete, el canal y la suma de verificación, conocidos colectivamente como "sobrecarga") y la información que se comunica (conocida como la "carga útil"). La relación de carga/sobrecarga + carga determina la eficiencia de protocolo (Figura 3).

Figura 3: Los paquetes de tecnología inalámbrica de baja potencia (Bluetooth de baja energía /Bluetooth 4.1 que se muestran aquí) incluyen sobrecarga y carga. La eficiencia de protocolo se determina por la cantidad de información útil (carga) que se transporta en cada paquete. (Fuente de la imagen: Bluetooth SIG)

La velocidad de datos "puros" (sobrecarga más carga) es una medida del número de bits transferidos por segundo y es a menudo la cifra citada en el material de marketing. La velocidad de datos de la carga siempre será menor. (La Parte 2 de esta serie analizará más detalladamente la eficiencia de cada producto y su consecuente impacto en la vida de la batería).

Las tecnologías inalámbricas de baja potencia generalmente requieren la transferencia periódica de pequeñas cantidades de información del sensor entre los nodos de sensores y un dispositivo central, minimizando el consumo de energía, por ello los anchos de banda suelen ser modestos.

La siguiente lista compara los datos puros de carga y el rendimiento de las tecnologías tratadas en este artículo. (Tenga en cuenta que estos son máximos teóricos y el rendimiento real depende de la configuración y las condiciones de funcionamiento):

• Nike+: 2 Mbits/s, 272 bits/s (el rendimiento se ve limitado por el diseño a un paquete)
• ANT+: 20 Kbits/s (en modo ráfaga - véase más abajo), 10 Kbits/s
• NFC: 424 Kbits/s, 106 Kbits/s
• ZigBee - 250 Kbits/s (a 2,4 GHz), 200 Kbits/s
• RF4CE (igual que ZigBee)
• Bluetooth de baja energía - 1 Mbit/s, 305 Kbits/s
• IrDA de alta velocidad - datos puros de 1 Gbit/s, carga útil de 500 Kbits/s
• Bluetooth de baja energía con Bluetooth 5 de alto rendimiento: 2 Mbits/s, 1,4 Mbits/s
• Wi-Fi: 11 Mbits/s (menor potencia en modo 802.11b), 6 Mbits/s

Latencia

La latencia de un sistema inalámbrico puede ser definida como el tiempo entre la transmisión y recepción de una señal. Si bien normalmente es sólo una cuestión de milisegundos, es una consideración importante para las aplicaciones inalámbricas. Por ejemplo, una baja latencia no es tan importante para una aplicación que automáticamente realiza sondeo de un sensor de datos quizás una vez por segundo, pero podría ser importante para una aplicación de consumidor como un control remoto cuando un usuario espera un retardo imperceptible entre la pulsación de un botón y la acción subsiguiente.

La siguiente lista compara las latencias de las tecnologías tratadas en este artículo. (Tenga en cuenta, una vez más, que estas dependen de la configuración y las condiciones de funcionamiento).

• ANT: Insignificante
• Wi-Fi: 1,5 milisegundos (ms)
• Bluetooth de baja energía: 2,5 ms
• ZigBee: 20 ms
• IrDA: 25 ms
• NFC: con sondeo normalmente cada segundo (pero puede ser especificado por el fabricante del producto)
• Nike+: 1 segundo

Tenga en cuenta que las latencias bajas citadas para ANT y Wi-Fi requieren que el dispositivo receptor escuche continuamente, lo cual consume rápidamente la energía de la batería. Para aplicaciones de sensores de baja potencia, el consumo de la batería puede mejorarse aumentando el período de mensajería de ANT, a costa de un aumento en la latencia.

Robustez y coexistencia

Una confiable transferencia de paquetes tiene una influencia directa en la vida de la batería y la experiencia del usuario. Generalmente, si un paquete de datos no se puede entregar debido a entornos de transmisión que no son óptimos, la interferencia accidental de radios cercanas, o la deliberada interferencia de frecuencia, el transmisor va a seguir intentándolo hasta que el paquete se haya entregado correctamente. Esto se logra a expensas de la vida de la batería. Además, si un sistema inalámbrico está restringido a un solo canal de transmisión, su fiabilidad inevitablemente se deteriorará en entornos congestionados.

Se describe la capacidad de una radio para operar en presencia de otras radios como la coexistencia. Esto es especialmente interesante cuando las radios operan en el mismo dispositivo, tales como Bluetooth de baja energía y Wi-Fi en un teléfono inteligente, con poca separación. Un enfoque estándar para lograr la coexistencia entre Bluetooth y Wi-Fi es utilizar un sistema de señalización de banda, que consta de una conexión cableada entre cada CI, capaz de coordinarse cuando cada uno está libre para transmitir o recibir. En este artículo, la coexistencia pasiva se refiere a un sistema para evitar la interferencia y la coexistencia activa se refiere a la señalización chip a chip.

Un método probado para ayudar en la coexistencia pasiva es el salto de canal. Bluetooth de baja energía usa salto de frecuencia de espectro amplio (FHSS), saltando en un patrón pseudoaleatorio entre sus 37 canales de datos, para evitar interferencias. El denominado salto de frecuencia adaptativa (AFH) de Bluetooth de baja energía permite a cada nodo realizar un mapa de los canales frecuentemente congestionados, que luego son evitados en futuras transacciones. La última versión de la especificación (Bluetooth 5) ha introducido un algoritmo de secuenciación de canal mejorado (CSA #2) para mejorar la pseudo-aleatoriedad de la secuencia del próximo saloto de canal que mejora la inmunidad a las interferencias.

ANT admite el uso de varias frecuencias de funcionamiento de RF, cada una con 1 MHz de ancho. Una vez seleccionada esta opción, toda la comunicación se realiza sobre la frecuencia única, y el salto de canal sólo se produce si se experimenta un deterioro significativo en la frecuencia seleccionada.

Para mitigar la congestión, ANT utiliza un esquema isocrónico adaptativo de acceso mútiple de dominio de tiempo (TDMA) para subdividir cada banda de frecuencias de 1 MHz en ranuras de tiempo de alrededor de 7 ms. Los dispositivos emparejados en el canal se comunican durante estos intervalos de tiempo, que se repiten según el período de mensajería de ANT (por ejemplo, cada 250 ms o 4 Hz). En la práctica, decenas o incluso cientos de nodos pueden ser alojados en una sola banda de frecuencias de 1 MHz sin interferir. Cuando la integridad de los datos es primordial, ANT puede utilizar una técnica de mensajería tipo "ráfaga"; esta es una técnica de transmisión de múltiples mensajes que utiliza todo el ancho de banda disponible, y funciona para una completa finalización de transmisión de datos.

Algunas de los canales de RF ANT están asignados y regulados por la ANT+ Alliance para mantener la integridad de la red y la interoperabilidad, por ejemplo, 2,450 y 2,457 GHz. La Alianza aconseja evitar estos canales durante el funcionamiento normal.

En contraste con la técnica FHSS de Bluetooth de baja energía y el esquema TDMA de ANT, ZigBee (y RF4CE) utilizan un método espectro ensanchado por secuencia directa (DSSS). Durante el DSSS, la señal se mezcla con un código pseudo-aleatorio en el transmisor que luego se extrae en el receptor. La técnica mejora eficazmente la relación señal-ruido al extender la señal transmitida a través de una banda ancha (Figura 4). ZigBee PRO implementa una técnica adicional conocida como agilidad de frecuencia, según la cual un nodo de red busca espectros libres y asesora al coordinador para que el canal puede usarse a través de la red. No obstante, esta función rara vez es desplegada en la práctica.

Figura 4: ZigBee intenta mitigar la interferencia de otras radios de 2,4 GHz mediante la propagación de la señal transmitida a través del espectro asignado. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Wi-Fi utiliza 11 canales de 20 MHz en EE.UU., trece en la mayoría del resto del mundo, o 14 en Japón. Por consiguiente, dentro de los límites de los 83 MHz de ancho de la asignación de espectro de 2,45 GHz, hay espacio suficiente para sólo tres canales Wi-Fi no superpuestos (1, 6 y 11). Por tanto, estos se utilizan como canales por defecto. No se incorpora el salto de canales automático, pero los usuarios pueden cambiar manualmente a un canal alternativo si la interferencia resulta un problema en el funcionamiento.

Dentro del canal seleccionado, el mecanismo de evasión de las interferencias Wi-Fi es complejo pero esencialmente combina DSSS con multiplexación por división de frecuencias ortogonales (OFDM). OFDM es una forma de transmisión que utiliza muchos portadores cercanos con una baja tasa de modulación. Ya que las señales son transmitidas ortogonalmente, la posibilidad de interferencia mutua desde el espacio próximo está muy mitigada.

El Wi-Fi de 5 GH opera a través de una asignación de 725 MHz de ancho, lo que permite la asignación de muchos más canales que no se solapan. El resultado es una reducción significativa en la probabilidad de que ocurran problemas de interferencia, en comparación con el Wi-Fi de 2,4 GHz.

Wi-Fi también emplea tecnología de coexistencia activa y un mecanismo para reducir las tarifas de datos si se detectan interferencias de otras radios.

Tal es la ubicuidad de la tecnología Wi-Fi. Otras tecnologías de 2,4 GHz incluyen técnicas para evitar interferir con los canales de Wi-Fi predeterminados (1, 6 y 11). Los tres canales de publicidad de Bluetooth de baja energía, por ejemplo, están colocados en los espacios entre los canales Wi-Fi predeterminados (Figura 5).

Figura 5: Los canales publicitarios de Bluetooth de baja energía se colocan alejados de los canales Wi-Fi predeterminados. Debe mencionarse que existen otros siete canales que están alejados de posibles interferencias Wi-Fi. (Fuente de la imagen: Nordic Semiconductor)

Nike+ utiliza un sistema ágil de frecuencia patentada, cambiando de canales cuando la interferencia tiene un efecto perjudicial. Esto rara vez es necesario debido a la mínima velocidad de transferencia de datos y el ciclo de trabajo de la tecnología.

IrDA no implementa ninguna forma de tecnología de coexistencia. Sin embargo, als er una tecnología basada en la luz, sólo es susceptible de verse afectada por la luz de fondo muy brillante con un importante componente de infrarrojos. El corto alcance y el funcionamiento de línea de visión hacen improbable que incluso los dispositivos infrarrojos que operan simultáneamente interfieran unos con otros.

NFC implementa una forma de coexistencia mediante la cual el lector selecciona una etiqueta NFC en una tarjeta específica de una cartera con varias tarjetas NFC. Debido al corto alcance de las transmisiones, la interferencia entre otros dispositivos NFC y/u otras radios es rara. Sin embargo, cabe señalar que la banda de 13,56 MHz tiene armónicos en la banda de modulación de frecuencia (FM) que son particularmente fuertes en 81,3 y 94,9 MHz. Estos armónicos pueden potencialmente causar ruidos de chasquidos en un receptor de FM situado en el mismo sitio. Los efectos de interferencia FM pueden reducirse mediante la aplicación de técnicas de anticolisión, por ejemplo, el "sesgado" o la limpieza.

Conclusión

Hay muchas tecnologías inalámbricas populares de baja potencia. Aunque cada una está diseñada para el funcionamiento a batería y una transferencia de datos relativamente modesta, tienen un rango, rendimiento, robustez y capacidad de convivencia diferentes. Estas variaciones de rendimiento se adaptan a diferentes aplicaciones -aunque con un alto grado de superposición.

Introducción a las Partes 2 y 3: El rendimiento es sólo una parte del proceso de selección, de modo que la Parte 2 observará más de cerca los principios de diseño de cada una de las tecnologías, tales como la disponibilidad de chips, las pilas de protocolos, las aplicaciones de software, las herramientas de diseño, los requisitos de antena, y el consumo de energía.

La Parte 3 examinará el desarrollo actual y futuro, diseñado para satisfacer los retos de IoT para cada tecnología, junto con una introducción a algunas nuevas interfaces y protocolos, como Wi-Fi HaLow y Thread.