El futuro de los módulos inalámbricos

La tecnología inalámbrica atraviesa enormes cambios. El mercado de celulares está pasando de 3G a LTE, LTE Advanced y LTE Advanced Pro para mejorar las velocidades de datos y reducir el consumo de energía, al mismo tiempo que se busca la próxima generación de tecnología 5G. Esto traerá muchas más bandas de frecuencia a frecuencias más altas para velocidades de datos aún mayores. Esto también traerá otras tecnologías usadas actualmente en bandas de frecuencia sin licencia tales como Wi-Fi.

Al mismo tiempo, los operadores y los desarrolladores buscan avances a la tecnología inalámbrica celular para proporcionar enlaces inalámbricos de bajo costo, confiables y escalables para la Internet de las cosas (IoT). Para estas aplicaciones, el consumo de energía y la duración de la batería son los factores impulsores, y ahora están surgiendo soluciones de banda estrecha. Junto a estas están las últimas evoluciones a las especificaciones tales como Bluetooth y ZigBee que están apuntando también a aplicaciones del IoT. Bluetooth 5 promete mayores velocidades de datos y rangos con menor potencia, mientras que ZigBee 3.0 trae menor potencia a las redes de malla.

Todo esto puede darle al diseñador un gran dolor de cabeza. La elección del protocolo inalámbrico para aplicaciones globales de bajo costo y baja potencia puede ser compleja y no particularmente estable.

Una de las formas en que los fabricantes de módulos están tratando de abordar este desafío es a través de una huella común. Sierra Wireless, por ejemplo, adoptó deliberadamente un enfoque de módulos en todos los desarrollos inalámbricos para tener esto en cuenta. El rango de módulos integrados 2G, 3G y 4G en la familia AirPrime HL ofrecen todo lo que los fabricantes de dispositivos necesitan para cumplir con los requisitos esenciales de conectividad. Con un factor de forma común para todas las diferentes tecnologías celulares, pequeño tamaño, bajo consumo de energía y rendimiento mejorado de RF, también hay opciones para la navegación GNSS desde los sistemas de satélite GPS y GLONASS de Rusia, así como cobertura mundial.

Figura 1: Una huella común para módulos inalámbricos permite que cada generación de tecnología se agregue fácilmente a una placa.

Con un solo diseño de PCB, los fabricantes de dispositivos pueden integrar fácilmente conectividad de voz y datos e implementarlos en cualquier región, en cualquier red móvil inalámbrica (como en la Figura 1). Sierra también ha pensado en el factor de forma para incluir la opción de soldar el módulo para una producción eficiente de alto volumen o usar un enchufe de encaje a presión en las mismas almohadillas de soldadura para una flexibilidad total en prototipos o longitudes de volumen más pequeño (Figura 2). Este enchufe permite a los fabricantes de dispositivos implementar o cambiar módulos en cualquier momento de la producción y los ciclos de vida del producto utilizando la huella común.

Este pin común en el factor de forma permite la compatibilidad hacia adelante y hacia atrás entre las diferentes variantes de módulos 2G, 3G y 4G. Esto significa que la ubicación del pin mecánico ofrece la misma función a través de la serie. Más que eso, el pin de HL series es compatible con la aplicación de procesamiento de la serie WP.

Figura 2: Un enchufe de encaje a presión permite que cualquiera de los módulos comunes se prueben en sistemas prototipo o se utilicen en series de producción pequeñas.

Pero el futuro de los módulos inalámbricos no solo trata acerca del hardware. El software y el firmware son componentes cada vez más vitales para el sistema. El servicio basado en la nube de programación por aire (OTA) de AirVantage de Sierra permite a los usuarios simplemente conectar y administrar una flota de máquinas remotas de cualquier tamaño. Esto proporciona la integración de datos de máquina a sistemas empresariales que utilizan herramientas y estándares de desarrollo M2M abiertos.

Sierra lidera el grupo de trabajo Eclipse IoT que está desarrollando los estándares y proporciona interfaces de programación de aplicaciones (API) en el repositorio de código abierto de Github que incluye un Node.js ejemplo del AirVantage API. Este ejemplo utiliza el Airvantage REST API en Clojure, un simple cliente OAuth2 + JSon en Go para recopilar la lista de pasarelas de AirVantage y formas de acceder al AirVantage API desde Ruby, PHP y Java, así como un script Shell ligero y flexible permite la interacción con el AirVantage M2M Cloud API en línea de comandos.

Similarmente el módem Skywire LTE CAT1 de NimbeLink está dirigido a aplicaciones de larga duración y por lo tanto tiene que tener en cuenta las tecnologías cambiantes de la tecnología inalámbrica. El módem utiliza el mismo tamaño pequeño y la interfaz XBEE de la familia Skywire y es compatible con los paquetes de desarrollo y los escudos de microprocesador de NimbeLink para una integración rápida y sencilla de la conectividad celular en un producto. El uso de una interfaz estándar de XBEE simplifica la migración a otras tecnologías celulares y permite extender la vida del producto a medida que las nuevas tecnologías evolucionan.

El mundo celular es consciente de la amenaza de las tecnologías sin licencia, como Bluetooth, Wi-Fi y ZigBee, por lo que ha estado trabajando en su propio estándar de baja velocidad de datos. La versión 13 de la especificación 3GPP incluye el estándar de banda estrecha IoT (LTE Cat. NB1), abriendo por primera vez el uso de redes celulares para IoT. 

Esto permite que los módulos celulares tengan una duración de batería de 10 a 20 años en aplicaciones tales como edificios inteligentes y ciudades, medición de servicios públicos, artículos blancos, seguimiento de activos, y monitoreo agrícola y ambiental. Los ensayos con Vodafone, Deutsche Telekom y Huawei en aplicaciones de medición y estacionamiento inteligentes han demostrado ser exitosos y han demostrado que las redes NB-IoT operan con mayor eficiencia que las redes GPRS. Los módulos NB-IoT llegarán al mercado a finales de 2016 con tasas de downlink máximas de hasta 227 kbps y velocidades de enlace ascendente de hasta 21 kbps, lo que mantiene la energía apagada y permite la duración de la batería entre diez y veinte años. El soporte simultáneo para tres bandas de RF significa que el mismo módulo puede ser utilizado en la mayoría de las regiones geográficas.

Figura 3: Los módulos IoT de banda estrecha están programados para ser lanzados más tarde en el 2016 (Fuente: 3GPP)

El NB-IoT proporciona una menor complejidad del dispositivo, un funcionamiento de muy baja potencia y compatibilidad para hasta 150,000 dispositivos por célula celular única. Lo que es más importante, la tecnología ofrece una mejora del presupuesto de enlace de 20 dB sobre GPRS para dar un excelente rendimiento bajo escasas condiciones de cobertura, tales como edificios subterráneos o interiores.

Sin embargo, la tecnología inalámbrica en las bandas sin licencia también continúa evolucionando. Bluetooth 5 promete cuatro veces el rango de las versiones actuales con el doble de ancho de banda para crear unIoT "sin conexión". Bluetooth 5 enfrenta algunos de los retos que han mantenido a las versiones anteriores de nuevo en el despliegue de las redes de IoT.

La nueva tecnología se lanzará a finales de 2016 o a principios de 2017 con módulos que proporcionan un alcance significativamente de hasta cuatro veces más en comparación con el día de hoy, con un objetivo de 50 metros, así como velocidades de 2 Mbit/s. La ampliación del rango proporcionará conexiones IoT robustas y fiables que harán realidad los casos de uso doméstico y de edificios y exteriores, mientras que las velocidades más altas enviarán los datos más rápidamente y optimizarán la capacidad de respuesta.

Sin embargo, la implementación de la tecnología, tanto en silicio como en módulos, determinará el consumo total de energía y la duración de la batería.

También hay planes para abstraer la complejidad de la Internet de las cosas aún más lejos de estos módulos de hardware y ofrecer el Hogar inteligente como un servicio (SHaaS). Esto puede eliminar el número total de sensores necesarios, reduciendo la redundancia y el mantenimiento, ya que se podría utilizar un solo sensor para una variedad de aplicaciones. Por ejemplo, un sensor de movimiento podría ser utilizado en un sistema de seguridad, para controlar la iluminación, para administrar el ambiente doméstico, para controlar las opciones de entretenimiento, para el estilo de vida familiar, y quizás incluso para alimentar a la mascota familiar.

Figura 4: Además de los estándares de RF disponibles en la capa de comunicación, existe una gran competencia en la capa de aplicación.

En lugar de tener que construir tu propia red, SHaaS es una colección de servicios que analiza las entradas de los sensores inteligentes para el hogar, aprende cómo vive la familia y cómo se usa el hogar, y puede tomar decisiones inteligentes para hacer que las casas sean más cómodas, seguras y con energía eficiente.

La información obtenida de los sensores alrededor del hogar es recopilada de forma inalámbrica por un concentrador local y se transmite de forma segura a un servicio de nube inteligente que recopila y analiza los datos. Después de la instalación inicial, solo toma una semana o dos para que el algoritmo en la nube acumule datos suficientes para que la aplicación "aprenda" cómo vive la familia y pueda enviar alertas cuando ocurre un evento inesperado o algo cambia drásticamente.

Todos los servicios deben consolidarse en una sola interfaz de usuario, en un tablero fácil de usar, mientras que el proveedor de servicios se encarga del soporte al cliente, la facturación, la gestión de suscriptores, así como de las actualizaciones y cambios del software y en el servicio.

Esto hace que el hogar inteligente sea fácil de usar, fácil de administrar y eficaz para proporcionar a los residentes protección, seguridad y comodidad, también sirve como un valioso generador de ingresos para los proveedores de servicios. Los desarrolladores de dispositivos y sistemas deben trabajar juntos para desarrollar el hardware, software e inteligencia web para crear este nivel de servicio.

Conclusión

El futuro de los módulos inalámbricos es impulsado tanto por las aplicaciones como por la tecnología, y el software está jugando un papel cada vez más importante en esa evolución. Los nuevos estándares de hardware como NB-IoT están proporcionando ventajas, que junto con las huellas de módulo común, están haciendo el diseño de nodos inalámbricos más simple.  La complejidad se traslada al software del módulo, con actualizaciones de OTA e integración en las aplicaciones para crear nuevos mercados completos, como el Hogar inteligente como servicio.