Introducción a Wi-Fi de bajo consumo

Finn Boetius, Ingeniero de Marketing de Producto, Nordic Semiconductor

Wi-Fi 6 permite mejorar las aplicaciones actuales de IoT y desarrollar muchas aplicaciones nuevas

Según la Wi-Fi Alliance, la organización que promueve el uso de Wi-Fi, el valor económico derivado de la tecnología asciende nada menos que a 3,5 billones de dólares (“Global Economic Value of Wi-Fi 2021 – 2025”).

Esta alianza señala que hay 18.000 millones de dispositivos Wi-Fi en funcionamiento y cada año se añaden 4.400 millones más, de los cuales 2.300 millones cumplen el estándar más reciente Wi-Fi 6. Esto convierte a Wi-Fi en un enorme negocio cuya gran popularidad se debe a la interoperabilidad del protocolo IP (Internet Protocol) de Wi-Fi, que permite conectar un dispositivo Wi-Fi directamente a la nube a través de los millones de puntos de acceso (Access Points, AP) ya instalados.

El acceso a Wi-Fi pública podrá beneficiarse de los elevados niveles de ancho de banda y velocidad del nuevo estándar, que por ejemplo permite que un gran número de usuarios en centros comerciales o aeropuertos realice compras rápidas, reproduzca vídeos o escuche música.

La adopción de Wi-Fi 6 también ha conseguido que la tecnología sea más adecuada para Internet de las Cosas (Internet of Things, IoT), donde complementa las tecnologías IoT existentes que se utilizan para redes de bajo consumo como, por ejemplo, Bluetooth LE y Thread. Wi-Fi 6 ofrece un rendimiento más elevado y un mayor alcance que estos otros protocolos, lo cual les permite mejorar las aplicaciones existentes de IoT y desarrollar nuevas aplicaciones.

Desarrollo de Wi-Fi 6 para IoT

Wi-Fi 6 añadió nuevas mejoras a la especificación pero las soluciones más útiles para IoT son el acceso OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), la generación de haz, la duración más larga de símbolo, TWT (Target Wake Time), que es un nuevo modo de ahorro de energía (power saving mode, PSM), y el coloreado BSS (Basic Service Set), un método que sirve diferenciar entre AP que utilizan el mismo canal.

Entre estos, TWT y OFDMA son los que más contribuyen a ahorrar energía y permiten que los dispositivos que ven limitado su consumo aprovechen las ventajas de Wi-Fi donde antes no había sido posible.

Las versiones anteriores del estándar Wi-Fi incluyen PSM, pero estas están controladas por el AP y ofrecen una flexibilidad limitada al dispositivo final. Generalmente el dispositivo final debe permanecer activo para recibir la señal del AP antes de cualquier intercambio de datos y esto afecta a la autonomía de la batería.

En cambio, el modo TWT PSM incluido en Wi-Fi 6 permite que el dispositivo final negocie de manera individual un programa de activación con el AP. De este modo puede permanecer inactivo durante unos períodos definidos, lo cual le ayuda a reducir el consumo de manera significativa y le permite intercambiar datos en el momento acordado. Una ventaja añadida de TWT es que puede mitigar las interferencias dejando que el AP asigne intervalos de tiempo a la transferencia de datos de cada dispositivo final.

Aumentar el número de subportadoras permite ampliar las redes de sensores

El acceso OFDMA empleado en Wi-Fi 6 permite aumentar el número de subportadoras en un solo canal de Wi-Fi. Por ejemplo, un canal de 20 MHz se puede dividir en 117 subportadoras a cada lado de la frecuencia central del canal. A continuación se pueden asignar grupos de subportadoras a un determinado dispositivo final, mientras que otros grupos se pueden asignar a diferentes dispositivos finales dependiendo de las necesidades de tráfico de datos.

Esta técnica de enlace ascendente/descendente multiusuario añade complejidad al enlace del AP pero no al dispositivo final IoT porque solo requiere para funcionar sus frecuencias de subportadora. OFDMA resulta especialmente útil para grandes redes de sensores IoT con muchos dispositivos finales, pero donde cada uno solo necesite enviar una pequeña cantidad de datos, porque permite una división dinámica, flexible y muy eficiente del ancho de banda del espectro disponible. Si se cumplen todas las especificaciones de Wi-Fi 6 es posible conectar hasta 1.500 dispositivos con un solo AP. Esto puede conseguir que Wi-Fi 6 sea especialmente útil, por ejemplo, para aplicaciones en aeropuertos, ya que resuelven problemas como la cobertura esporádica y los retardos de tiempo que afectan a los servicios ya instalados.

Sin OFDMA, una gran red de sensores generaría mucha congestión en el canal cuando los dispositivos clientes de Wi-Fi intentan acceder al medio sin mucha coordinación, provocando así mayores niveles de interferencia y, como resultado de ello, un menor rendimiento.

La función de enlace ascendente/descendente multiusuario permitirá que los routers Wi-Fi 6 mejoran el rendimiento inalámbrico en los hogares, y por tanto una mayor utilización de dispositivos inteligentes además de resolver dificultades de navegación relacionadas con usuarios cercanos.

Nordic Semiconductor anunció recientemente un circuito integrado para Wi-Fi que añadirá funciones Wi-Fi de bajo consumo para sistemas IoT embebidos. Este circuito integrado puede introducir importantes mejoras en las aplicaciones existentes. Por ejemplo, el elevado rendimiento resulta útil cuando un dispositivo final IoT debe transmitir grandes volúmenes de datos de forma ocasional, como por ejemplo cuando el dispositivo realiza actualizaciones inalámbricas de firmware complejo.

Soporte para nuevas aplicaciones

El circuito integrado auxiliar está diseñado para complementar los SoC multiprotocolo y los SiP IoT celulares de la compañía, y está controlado por el SoC o el microprocesador Arm embebido del SiP. Este circuito integrado incorpora una tecnología de coexistencia para asegurar que no intente transmitir en la frecuencia de 2,4 GHz al mismo tiempo que un SoC Bluetooth LE.

La combinación de SoC multiprotocolo o SiP IoT celular y circuito integrado Wi-Fi 6 permite disponer de muchas aplicaciones nuevas. Por ejemplo, este circuito integrado aumenta el rendimiento para aplicaciones como cámaras de seguridad. También permite incorporar servicios de localización Wi-Fi para dispositivos de seguimiento de activos mediante GPS.

En el hogar inteligente, la interoperabilidad nativa de Wi-Fi con IP está siendo aprovechada por el estándar Matter de la Connectivity Standard Alliance, cuyo funcionamiento se sitúa sobre las tecnologías inalámbricas inteligentes domésticas Thread, Bluetooth LE y el protocolo para cable Ethernet, proporcionando para ello una capa de aplicación unificadora. Los dispositivos para Matter inalámbrico utilizan Thread o Wi-Fi para el transporte (y Bluetooth LE para la puesta en marcha). La capa de aplicación de Matter facilita a los dispositivos Thread la comunicación con una red Wi-Fi y hasta la nube. Wi-Fi también aumenta el alcance y ofrece un mayor nivel de seguridad para transferencias de datos sensibles que Bluetooth LE.

En aplicaciones de automatización industrial o almacenes, el circuito integrado auxiliar desempeñará un papel primordial para facilitar la implementación de una pasarela entre redes de bajo consumo basadas en Bluetooth LE o IEEE 802.15.4 y la nube.

Un dispositivo de banda dual

El primer circuito integrado auxiliar de Nordic es el nRF7002. Este dispositivo de banda dual (2,4 y
5 GHz), disponible desde enero de 2023, incorpora una radio Wi-Fi de bajo consumo, funciones de seguridad avanzadas y el mecanismo de coexistencia de 2,4 GHz. Este circuito es compatible con estándares Wi-Fi anteriores (IEEE 802.11a/b/g/n/ac) y con Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax), y admite 1 SS (Spatial Stream), un ancho de banda del canal de 20 MHz, capa física (PHY) 64 QAM de 86 Mbps, OFDMA (enlace descendente y ascendente), TWT, coloreado BSS y generación de haz (en el lado del receptor). También se acaba de presentar un circuito integrado sólo para 2,4 GHz.

Cuando se alimenta entre 2,9 y 4,5 V, la radio del circuito integrado funciona con una corriente máxima de transmisión (2,4/5 GHz) de 191/260 mA y una corriente máxima de recepción de 60/56 mA. La corriente en reposo (con un reloj en tiempo real (RTC)) es de 15 µA y la corriente de apagado es de 1,7 µA. Con TWT (2,4 GHz, 60 s de intervalo), la corriente media es de 29,5 µA que se reduce a 18,2 µA para intervalos de un día. La sensibilidad (1DSSS, 2,4 GHz) es de -98.6 dBm y TX (máx.) (2,4/
5 GHz) es de 21/15 dBm.

El dispositivo es compatible con el protocolo de seguridad de alto nivel Wi-Fi Protected Access (WPA)3, caracterizado por su mayor potencia criptográfica y una autentificación más robusta. La compatibilidad con WPA3 elimina una parte de la carga de seguridad del host.

El circuito integrado solo implementa la PHY y el firmware del MAC (Medium Access Control) de IEEE802.11. El driver Wi-Fi y la pila TCP/IP (Transmission Control Protocol/IP) se encuentran en el procesador host. La comunicación entre el MAC y los otros dispositivos de la pila se realiza a través de la interfaz SPI (Serial Peripheral Interface) o QSPI (Quad SPI) del circuito integrado. Hay un kit de desarrollo que facilita a los desarrolladores empiecen a trabajar con él mediante una combinación de SoC multiprotocolo y circuito auxiliar para Wi-Fi.

También se encuentra disponible el nRF7001, que fue presentado en junio de 2023. Este dispositivo, una solución de bajo coste que ofrece conectividad a través de una sola banda de 2,4GHz, está destinado a diseños de coste optimizado.

Extensión de servicios de localización

Los circuitos integrados auxiliares de Nordic simplifican la incorporación de servicios de localización Wi-Fi SSID a productos existentes como localizadores de activos.

Por ejemplo, el circuito integrado para Wi-Fi se puede utilizar con un SiP IoT celular para mejorar la exactitud de localización. Junto con los nRF Cloud Location Services de Nordic, el SiP puede utilizar funciones de localización basadas en célula (una o más células) y/o basadas en GPS (GPS asistido o predictivo). La localización de Wi-Fi SSID es más exacta que las funciones de localización basadas en célula y consume menos energía que GPS.

Además, Wi-Fi destaca allí donde GPS flaquea. Por ejemplo, entre los edificios altos de una ciudad, la señal GPS puede ser irregular y suele haber una alta densidad de AP Wi-Fi. Wi-Fi también funciona bien en espacios interiores donde GPS falla. El circuito auxiliar para Wi-Fi busca un AP cercano y obtiene su SSID; a continuación, el SiP IoT celular envía la SSID a nRF Cloud, que a su vez lo comprueba en una base de datos de AP Wi-Fi. Luego nRF Cloud transmite la localización con el grado de incertidumbre al SiP o a cualquier otro lugar.

Gracias a su velocidad más alta, mayor alcance y funciones de ahorro de energía, Wi-Fi 6 está llamada a potenciar las prestaciones de los sistemas IoT embebidos posibilitando nuevas aplicaciones para la tecnología inalámbrica prácticamente en todos los mercados.