Autor: Mark Patrick, Mouser Electronics

Vivimos en un mundo conectado. Siempre podemos enviarle un mensaje a amigos, consultar las noticias, controlar electrodomésticos de forma remota o colaborar con compañeros de trabajo, con independencia del lugar en el que estén. La llegada del Internet de las cosas (IdC) y del Internet industrial de las cosas (IIdC) ha llenado de tecnología nuestras casas, coches y fábricas, pero una gran parte de esto depende enormemente de la comunicación inalámbrica. El wifi, el Bluetooth^® o las redes móviles 3G/4G/5G son términos a los que nos hemos acostumbrado. Hay otras tecnologías inalámbricas, como la banda ultraancha (BUA), LoRa, Sigfox o ISM, que son menos conocidas, pero igualmente importantes.

En este artículo, hablaremos de un nuevo protocolo de comunicación inalámbrica, DECT NR+ (en inglés, DECT es el acrónimo de «telecomunicaciones digitales mejoradas e inalámbricas» y NR+ son las siglas de «nueva radio»), que promete superar muchas de las limitaciones de los métodos de comunicación actuales y lograr una comunicación ultrafiable, de baja latencia y largo alcance.

La comunicación inalámbrica es la base de la sociedad actual

La comunicación inalámbrica está por todas partes. Seguramente, es algo que damos por sentado, lo mismo que ocurre con la electricidad en los enchufes o el agua en las tuberías. Nuestra dependencia de la comunicación inalámbrica, sobre todo, de la transmisión inalámbrica de datos, ha aumentado de forma significativa en las últimas dos décadas. Mientras escribía este artículo, he contado, al menos, ocho dispositivos conectados de forma inalámbrica: un portátil, un teclado externo, un panel táctil, unos auriculares con micro, unos auriculares sencillos, un móvil, un reloj inteligente y una impresora. No me hace falta saber qué protocolo inalámbrico están utilizando ni cuál es su funcionamiento, lo único que me importa es que todo funcione correctamente, y lo mismo pasa en casa y en el coche. Del mismo modo, las fábricas, las tiendas y las redes de distribución dependen de que haya una transmisión de datos inalámbrica que esté disponible siempre y que sea fiable.

Esta necesidad sigue evolucionando a medida que descubrimos más aplicaciones que se pueden mejorar con la automatización, sobre todo, en el IIdC. Si nos metemos en los aspectos técnicos de los protocolos de datos inalámbricos, descubrimos que muchos de ellos están optimizados para casos de uso específicos, en lugar de ser opciones genéricas. Si analizamos la evolución de las redes de datos por cable, veremos muchas similitudes. Algunos elementos esenciales en la industria, como Ethernet, han mejorado muchísimo en los últimos cuarenta años. Actualmente, las instalaciones de Ethernet emplean velocidades de transferencia de unos 10 Gbps, una cifra 1000 veces superior a la de las versiones iniciales. Sin embargo, la velocidad no es lo único que importa; la latencia, la sobrecarga del paquete y el consumo de potencia son factores esenciales que determinarán las credenciales de un protocolo y su eficacia general. Lo mismo ocurre con la transmisión inalámbrica de datos.

La selección de protocolos inalámbricos para el IdC y el IIdC

Antes de analizar los aspectos técnicos del nuevo protocolo inalámbrico DECT NR+, repasemos brevemente algunas cosas esenciales que debemos tener en cuenta al escoger un protocolo.

Velocidad de transferencia: la velocidad de la transferencia de datos se suele medir en Mbps o Gbps y es un dato esencial. Hay muchas aplicaciones que dependen totalmente de la posibilidad de transmitir muchos datos en el menor periodo de tiempo posible. Sin embargo, algunos casos de uso no precisan de velocidades altas, por ejemplo, un sensor de temperatura sencillo en el IdC solo envía unos cuantos bytes por minuto. El wifi ha mejorado muchísimo y el protocolo Wi-Fi 6 promete aportar velocidades de gigabits, similar a las que aporta Ethernet. Si comparamos esto con redes móviles, la 4G suele lograr velocidades de descarga de 30 Mbps y la 5G, que aún se está implantando, parece llegar a 150 Mbps en las pruebas iniciales. Algunas opciones a baja velocidad son el Bluetooth, a 1 Mbps, LoRa, hasta 27 kbps y la red móvil NB-IoT, a 127 kbps.

Latencia: se suele medir en ida y vuelta e indica el tiempo que pasa hasta que una señal llega a su destino y hasta que se recibe una confirmación en el origen. La latencia puede ser un factor limitante en la comunicación de alta velocidad, ya que esperar a que haya una confirmación sobre un paquete de datos reduce el rendimiento. También tiene un impacto importante en las aplicaciones en tiempo real que necesitan plazos de respuesta predecibles y deterministas. Un nivel bajo de latencia es crucial en sistemas de automatización industrial, uno de los principales objetivos de la implantación de la 5G. Una de las ventajas de la 5G debería ser reducir considerablemente la latencia en redes móviles (5 ms, en contraste con los 80 ms de la 4G). La latencia también depende de la respuesta del sistema hospedador. Otras aplicaciones afectadas por la latencia son los juegos en línea y la transmisión de audio/vídeo.

Alcance: el alcance efectivo de una conexión inalámbrica puede variar muchísimo. En casa y en la oficina, las paredes y los suelos atenúan las señales inalámbricas, lo que limita la mayoría de comunicaciones wifi a distancias inferiores a diez metros. En exteriores, el alcance se ve afectado por el terreno, plantas o árboles y, en frecuencias muy altas, por las precipitaciones. La imagen 1 muestra las principales características de los protocolos inalámbricos más populares mencionados en este artículo.

Imagen 1: características principales de los protocolos inalámbricos populares. (Fuente: Mouser)

Consumo de potencia: el consumo es un elemento muy importante, sobre todo si hablamos de sistemas integrados alimentados con batería. La cantidad de corriente consumida por el transceptor inalámbrico para poder iniciar y mantener una conexión fiable influirá mucho en la vida de la batería, una preocupación importante para muchos consumidores. Por ejemplo, a pesar de su velocidad, el wifi consume bastante energía, lo que nos recuerda que necesitamos protocolos de potencia más baja en algunas aplicaciones.

Topología: algunas topologías comunes son estrella (móvil, wifi, LoRa) y malla (Bluetooth), también hay conexiones inalámbricas punto a punto (P2P) específicas.

Si profundizamos en los detalles técnicos, el protocolo inalámbrico también establece el tamaño de los paquetes. Define el intercambio del establecimiento de conexión (o «handshaking»), los posibles métodos de corrección de errores y el reenvío de paquetes de datos. En aplicaciones IdC e IIdC, es imprescindible disponer de una conexión inalámbrica fiable, sólida y de gran rendimiento.

DECT NR+: la puerta a la comunicación ultrafiable y de baja latencia en instalaciones IIdC a gran escala

La Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) y el Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones (ETSI) han ratificado recientemente el estándar DECT-2020 New Radio (NR)+ como parte del conjunto de normativas 5G. El DECT Forum, los fundadores del estándar DECT para teléfonos inalámbricos, han desarrollado el DECT NR+,sin embargo, no se origina en el estándar inalámbrico. El DECT NR+ cumple con las necesidades de instalaciones IdC e IIdC grandes, de baja latencia, ultrafiables y a gran escala, como las ciudades inteligentes, los medidores inteligentes, la Industria 4.0 y la transmisión de audio de alta calidad (por ejemplo, en estadios o recintos grandes para conferencias).

A diferencia de la 5G, DECT NR+ no es un estándar móvil, pero obtuvo la certificación ITU-R 5G de acuerdo con el estándar de telecomunicaciones móviles internacionales 5G (IMT-2020) debido a sus características de comunicación de máxima fiabilidad y baja latencia (URLLC) y comunicación masiva entre máquinas (mMTC). La imagen 2 muestra los tipos de casos de uso para DECT NR+ de acuerdo con el estándar IMT-2020 para URLLC, mMTC y ancho de banda móvil mejorado (eMBB).

Imagen 2: el triángulo de casos de uso de 5G IMT-2020. (Fuente: Nordic Semiconductor)

Algunas de las características más importantes del DECT NR+:

• Funcionamiento en el espectro inalámbrico exento de licencia de 1,9 GHz, disponible globalmente (excepto en China, en este momento). Esto crea el potencial de desarrollar una sola versión de un producto, en lugar de tener que hacer variantes por regiones: un considerable ahorro en los costes de producción y autorización. EL DECT NR+ coexiste con dispositivos DECT inalámbricos antiguos que ya usaban la banda de 1,9 GHz.
• Puede funcionar con distintas topologías, como estrella, malla y P2P, y dispone de capacidades de red de autoorganización y autorregeneración.
• Latencia extremadamente baja, hasta 1 ms, lo que puede permitir el uso de comunicación inalámbrica en aplicaciones en las que no era posible.
• Fiabilidad superior al 99,99 %, de acuerdo con técnicas móviles contrastadas, como la corrección directa de errores (FEC) o la petición automática de repetición (HARQ), lo que se produce a un nivel bajo en la pila de protocolos y permite reservar los niveles más altos para administrar transmisiones.
• Procedimientos recomendados de seguridad con AES y CCM.
• Nivel enorme de escalabilidad: hasta 4000 millones de nodos y 16 millones de redes.
• Modulación con multiplexación por división de frecuencias ortogonales (OFDM), con codificación eficaz de canales y modulación de alto nivel.
• Método de red no móvil, lo que permite a los clientes crear redes privadas sin necesitar acceso a estaciones base o a la infraestructura de un proveedor de servicios.
• Opción adecuada para instalaciones grandes, con un alcance de un kilómetro y una velocidad de transmisión de datos máxima de 9 Gbps.
• No hace falta suscribirse a ningún servicio ni usar tarjetas SIM.

La imagen 3 compara DECT NR+ con otros protocolos inalámbricos de corto alcance conocidos.

Imagen 3: tabla comparativa de DECT NR+ y otros métodos de comunicación inalámbrica conocidos. (Fuente: Mouser)

La capa física (PHY) de la pila del protocolo NR+ permite la modulación por desplazamiento de fase bivalente (MDFB), la modulación por desplazamiento de fase cuadrivalente (MDP4) y la modulación de amplitud en cuadratura (QAM) de la señal OFDM (imagen 4). La especificación DECT NR+ puede trabajar con niveles de hasta 1024QAM para hasta 9 Gbps. Si reducimos la velocidad de transmisión de datos para adaptarla a los requisitos de la aplicación, se optimizará el consumo de energía en aplicaciones integradas de baja potencia.

Imagen 4: métodos I/Q de modulación de canales de datos físicos disponibles con DECT NR+.(Fuente: Nordic Semiconductor)

Otra característica de la capa PHY es la técnica de corrección de errores HARQ (imagen 5). Al hacer reenvíos en la capa física, ya no es necesario que haya capas de aplicación para esta funcionalidad y puede haber ocho procesos HARQ simultáneos. Puesto que los reenvíos para mejorar a fiabilidad tienen lugar en la capa física, la latencia de la retransmisión es inferior a 417 μs.

Imagen 5: la HARQ en la capa física mejora la fiabilidad, introduce una latencia mínima y ahorra recursos de la capa de aplicación. (Fuente: Nordic Semiconductor)

Nordic nRF91: la primera plataforma con compatibilidad DECT NR+

Nordic Semiconductor es la primera empresa de semiconductores que ha afirmado que dará soporte al protocolo DECT NR+. Su transceptor inalámbrico y de baja potencia, el nRF91 DECT NR+, junto con diseños de referencia y una plataforma de evaluación, estarán disponibles en 2023. Sobre la base del establecido sistema en cápsula nRF91 cellular (LTE y NB-IoT), Nordic ha colaborado con Wirepas, líder en software para el IdC, para integrar la Wirepas Mesh Connectivity Suite en el nRF91.

DECT NR+ cubre la necesidad de comunicación inalámbrica ultrafiable, de baja latencia y a gran escala

A medida que las instalaciones del Idc y el IIdC sigan aumentando, cada vez será más crucial disponer de una comunicación inalámbrica que sea fiable, que tenga una latencia baja y que consuma poco. El DECT NR+, con su seguridad de grado móvil y su elevada fiabilidad, tiene el potencial de cumplir con unos requisitos que son inalcanzables para otros protocolos inalámbricos de corto alcance.