Una breve guía de lo que importa en las tecnologías inalámbricas de corto alcance

Si ha decidido que la conectividad inalámbrica es el mejor método para vincular su producto con el mundo, entonces ha tomado una buena decisión. La conveniencia, la movilidad y la flexibilidad que esto brinda harán que el producto sea mucho más atractivo para su mercado objetivo. Pero después de tomarse un momento para darse unas palmaditas en la espalda, es hora de ponerse manos a la obra con el diseño.

El trabajo comienza con decidir qué forma de conectividad inalámbrica se adapta mejor al producto. Supongamos que desea conectar su dispositivo a otro producto con capacidad inalámbrica o a internet y que forme parte de internet de las cosas (IoT). También supondremos que ha decidido elegir una tecnología estándar (en lugar de una de las muchas soluciones patentadas de corto alcance) para aprovechar la interoperabilidad con los productos de otros fabricantes. Finalmente, supongamos que desea conectarse de forma inalámbrica en un rango de menos de 100 metros (m).

Eso reduce mucho las cosas. Pero incluso dentro de estas limitaciones, la elección de la tecnología inalámbrica de corto alcance puede resultar desconcertante. Encontrar una solución se reduce a definir metódicamente qué usos tendrá el enlace inalámbrico.

Todas las tecnologías inalámbricas de corto alcance compensan el alcance, el rendimiento, el consumo de energía y la inmunidad a las interferencias. En general, un mayor alcance o rendimiento tiene el costo de un mayor consumo de energía. Una buena inmunidad a las interferencias, un requisito importante para las tecnologías de radio que operan en áreas saturadas del espectro de radiofrecuencia (RF) –como la banda de 2,4 GHz– también puede ayudar a ahorrar energía al eliminar la necesidad de reenviar constantemente los paquetes de radio que no llegan al receptor. Otros factores importantes para tener en cuenta son las redes de malla y la interoperabilidad del Protocolo de Internet (IP).

Las principales tecnologías inalámbricas de corto alcance

Wi-Fi, Bluetooth LE, Zigbee y Thread (que, al igual que Zigbee, se ejecuta en la radio compatible con el IEEE 802.15.4), representan las principales tecnologías inalámbricas de corto alcance. Pero esto está lejos de ser una lista completa de las soluciones inalámbricas de corto alcance. Otras tecnologías, como la banda ultraancha (UWB), la comunicación de campo cercano (NFC), Wireless M-Bus, Z-Wave y Wi-SUN, son dignas de consideración para muchas aplicaciones de nicho. Sin embargo, por ahora, analicemos opciones más convencionales.

Si el rendimiento y la interoperabilidad de IP encabezan la lista de especificaciones, Wi-Fi es la opción principal. La solución más popular en este momento es Wi-Fi 5 (anteriormente IEEE 802.11ac), que ofrece un rendimiento teórico máximo de 3,5 gigabits por segundo (Gbps) y un alcance máximo en interiores de 100 m. La tecnología se basa en múltiples canales, que aumentan el rendimiento y superan los problemas de desvanecimiento multitrayecto (la interferencia que se produce porque el receptor ve varios reflejos de una sola señal transmitida). La pila Wi-Fi también presenta el IPv6 incorporado, por lo que no se requiere un enrutador o una puerta de enlace adicional para enviar datos a la nube.

Figura 1: Wi-Fi incorpora el IPv6 para conectarse sin problemas con Internet. (Fuente de imagen: Netgear)

El potencial de rendimiento de Wi-Fi exige acceso a una gran cantidad de energía del transceptor, por lo que esta no es la elección de tecnología correcta si el presupuesto de energía es limitado. Y Wi-Fi no está optimizado para admitir docenas de dispositivos en red. Dicho esto, Wi-Fi 6 (anteriormente IEEE 802.11ax) –que se adoptó recientemente con algunos chips ahora disponibles– aborda estos inconvenientes en cierta medida al mejorar la eficiencia espectral de la tecnología.

Si el bajo consumo de energía es el parámetro de diseño más importante, entonces la Bluetooth de baja energía (Bluetooth LE), Zigbee y Thread merecen una inspección más detallada. Existen muchas similitudes entre estas tecnologías debido al ADN compartido de la especificación del IEEE 802.15.4 mencionado anteriormente. El IEEE 802.15.4 describe las capas física (PHY) y de control de acceso al medio (MAC) para redes inalámbricas de área personal de baja velocidad (LR-WPAN). Las tecnologías generalmente funcionan a 2,4 GHz, aunque existen algunas variantes sub-GHz de Zigbee.

La Bluetooth de baja energía es una versión de bajo consumo de la Bluetooth “clásico”, la tecnología inalámbrica orientada al consumidor que primero encontró un nicho vinculando los teléfonos inteligentes con los auriculares inalámbricos. La Bluetooth LE se convirtió en parte del protocolo Bluetooth con el lanzamiento de la versión 4.0. Consume aproximadamente una décima parte de la energía de Bluetooth y ofrece un máximo de 2 Mbits/s de rendimiento de datos sin procesar y un alcance de 50 m.

La tecnología es adecuada para aplicaciones de IoT, como sensores domésticos inteligentes, donde las transmisiones de datos son modestas e infrecuentes. Cuenta con 40 canales y un sofisticado algoritmo de selección de canales (CSA) para mitigar la interferencia. La interoperabilidad de la Bluetooth LE con los chips Bluetooth alojados en la mayoría de los teléfonos inteligentes también es una gran ventaja para las aplicaciones orientadas al consumidor, como los dispositivos portátiles (Figura 2). Las desventajas clave de la tecnología son la necesidad de una puerta de enlace costosa que consume mucha energía para conectarse a la nube y las engorrosas capacidades de la red de malla que ocasionan una mayor latencia en comparación con las alternativas.

Figura 2: La Bluetooth LE es compatible con los teléfonos inteligentes, lo que la convierte en una opción clave para los dispositivos portátiles. (Fuente de imagen: Nordic Semiconductor/DO Technologies)

Zigbee también es una buena opción para las aplicaciones de baja potencia y bajo rendimiento en automatización industrial, comercial y doméstica. Su rendimiento es inferior al de la Bluetooth LE, a 250 kilobits por segundo (Kbits/s), mientras que su alcance y consumo de energía es similar. Zigbee no es compatible con teléfonos inteligentes, ni ofrece capacidad de IP nativa. Funciona en 16 canales y, al igual que la Bluetooth LE, emplea un algoritmo de salto de canales para evitar interferencias. Una ventaja clave de Zigbee radica en que está diseñada desde cero para redes de malla, lo que la convierte en una buena opción para aplicaciones como la iluminación inteligente y otras que exigen baja latencia.

Thread es relativamente nueva en el sector inalámbrico de corto alcance y se introdujo por primera vez en 2014. Al igual que Zigbee, funciona con el IEEE 802.15.4 PHY y MAC y ha sido diseñada para admitir grandes redes de malla de hasta 250 dispositivos. El rendimiento es el mismo que el de Zigbee a 250 Kbits/s, el consumo de energía es similar y el alcance máximo es de unos 30 m. Thread se diferencia de Zigbee en el uso del 6LoWPAN (una combinación del IPv6 y las WPAN de bajo consumo), lo que hace que la conectividad con otros dispositivos y la nube sea directa, aunque a través de un dispositivo de borde de red llamado enrutador de borde.

Cooperación en lugar de competencia

El sector inalámbrico de corto alcance reconoce que ninguna tecnología por sí sola prevalecerá debido a las inevitables compensaciones que cada una debe hacer para satisfacer las necesidades de sus aplicaciones de destino. Este dato ha generado un grado de cooperación inusualmente alto entre grupos de la industria para garantizar la interoperabilidad entre muchas pilas de protocolos inalámbricos de corto alcance.

Un ejemplo de este espíritu colaborativo es Matter, una iniciativa impulsada por Connectivity Standards Alliance (CSA, anteriormente Zigbee Alliance), que incluye a Apple, Amazon y Google entre sus 180 empresas miembros. Matter enfatiza la seguridad y la interoperabilidad. Introduce una capa de red que une a Zigbee, Bluetooth y Wi-Fi para que los dispositivos puedan interactuar, independientemente de la marca o la función del dispositivo. Los productos comerciales con el sello de aprobación Matter debían llegar antes de finales de 2021. Este será un momento crucial en la tecnología inalámbrica de corto alcance.

Otra opción para el diseñador que desea conservar la máxima flexibilidad en la elección del protocolo y a la vez diseñar una única variante de producto es elegir un chip inalámbrico multiprotocolo de corto alcance. Muchos proveedores de silicio ofrecen estas soluciones de un solo chip o módulo que admiten Wi-Fi, Bluetooth LE, Zigbee, Thread o alguna combinación de esas tecnologías. Los microprocesadores integrados en los chips administran el cambio de protocolo según sea necesario.

Conclusión

El diseño de conectividad inalámbrica de corto alcance hace que un producto sea más atractivo para el usuario final. Dado que existe una amplia gama de tecnologías disponibles para el desarrollador, no es fácil elegir la mejor opción. Todas las tecnologías inalámbricas de corto alcance compensan el alcance, el rendimiento, el consumo de energía y la inmunidad a las interferencias. La clave para hacer la mejor selección es considerar cuidadosamente los usos que se le darán al producto final, la importancia de la experiencia del usuario final y luego elegir la tecnología inalámbrica con las fortalezas correspondientes.