La Internet de las Cosas masiva conecta el futuro de la humanidad

Conectar pequeñas cosas a IoT resultó desafiante porque los dispositivos inteligentes empleaban diferentes tecnologías no interoperables. Hoy en día, los LPWANs de IoT celular están en auge porque satisfacen la necesidad de conectividad inalámbrica de largo alcance entre WLANs y la nube. La ITU-R ha hecho de NB-IoT y LTE-M partes clave del estándar 5G, asegurando un desarrollo continuo. DECT NR+ cumple con todos los requisitos técnicos para IoT masivo y se define como una tecnología 5G. Permite a los ingenieros construir sus propias redes de malla privadas densas sin la necesidad de SIMs. IoT celular y DECT NR+ son ideales para aplicaciones IoT de alta densidad. Nordic Semiconductor está diseñando partes críticas de esta tecnología que se usarán para conectar miles de millones de dispositivos inteligentes del mañana.

El camino de desarrollo desde el sistema celular Advance Mobile Phone System (AMPS) de Bell Labs hasta la infraestructura 5G actual se ha caracterizado por grandes avances tecnológicos. Cada uno está representado por una ‘generación’; ‘1G’ de finales de los años 70 y principios de los 80 se basó en comunicaciones móviles celulares que utilizaban sistemas analógicos para llamadas pero digitales para el enlace de retorno. El completamente digital 2G llegó a principios de los años 90. Justo antes del cambio de siglo, 3G trajo mayor capacidad de transmisión para apoyar el surgimiento de los teléfonos inteligentes. 4G introdujo el estándar Long Term Evolution (LTE) a partir de 2009. La capacidad máxima de transmisión de 4G de 100 Mbps le permitió apoyar video en alta definición. El estándar 5G fue introducido en 2016. La tecnología compite directamente con redes de fibra para banda ancha de Internet y ofrece menor latencia y mejor eficiencia espectral en comparación con generaciones anteriores. 5G también es el primer estándar móvil definido con requisitos de comunicación de tipo máquina masiva (mMTC) en mente, lo que lleva a IoT masivo.

IoT masivo es el término acuñado para describir la red del mañana en la que miles de millones y eventualmente billones de pequeños dispositivos estarán directamente conectados a Internet. Estos 'objetos' no son las computadoras, servidores, televisores inteligentes y teléfonos inteligentes que los consumidores asocian con Internet. Más bien, es más probable que sean sensores y actuadores compactos y con recursos limitados que carecen de una interfaz de máquina humana. Ericsson define las aplicaciones de IoT masivo como aquellas “que son menos sensibles a la latencia y tienen requisitos de rendimiento relativamente bajos, pero requieren un gran volumen de dispositivos de bajo costo y bajo consumo de energía en una red con excelente cobertura”. La empresa explica que la creciente popularidad de los casos de uso de IoT que dependen de la conectividad en áreas extensas y que son capaces de manejar una gran cantidad de conexiones, está impulsando la demanda de IoT masivo.

Hace solo unos años, conectar pequeñas cosas al IoT era difícil y dependía de gateways caros y complejos. Pero hoy en día, tenemos una solución elegante en forma de IoT celular, específicamente las opciones LPWAN LTE-M y NB-IoT. Los LPWAN de IoT celular están en auge porque satisfacen la necesidad de conectividad inalámbrica de largo alcance, económica y amigable con el consumo de energía entre las WLAN y la nube.

La tecnología celular de alto rendimiento es extremadamente compleja y costosa, y el hardware es voluminoso y consume mucha energía. Para los ingenieros de IoT, el alto costo, la complejidad y el consumo de energía de la tecnología celular de alto rendimiento hacen que sea difícil construir las redes de sensores compactos y alimentados por batería que formarán el IoT.

Sin embargo, los módems celulares, esencialmente módems de teléfonos móviles simplificados, han encontrado un nicho para conectar activos remotos costosos a la nube. Por ejemplo, los Dispositivos Electrónicos Inteligentes (IED) rurales utilizados para controlar redes de distribución eléctrica inteligente, envían información rutinariamente a un centro de control a través de un módem celular. Y los operadores de equipos comerciales como las máquinas expendedoras pueden usar un módem celular para enviar información a la sede en lugar de enviar a un operativo de servicio para verificar manualmente el inventario.

Pero los módems que impulsan estas aplicaciones no son adecuados para los dispositivos de bajo consumo y recursos limitados que conformarán el IoT. En cambio, el génesis del IoT celular se encuentra en la especificación LTE Release 13 del 3rd Generation Partnership Project (3GPP)—un conjunto de siete organizaciones de desarrollo de estándares de telecomunicaciones. La especificación definió un nuevo módem RF de baja complejidad que respaldaba las necesidades de las LPWAN para el IoT.

Cuando se adoptó en 2016, la Release 13 especificó tres nuevas tecnologías para el soporte de LPWAN: Extended Coverage GSM Internet of Things (EC-GSM-IoT), LTE-M y NB-IoT. Son estas dos últimas las que han tenido el mayor impacto desde entonces. LTE-M opera como un sistema de medio duplex o full duplex con un ancho de banda de 1.4 megahercios. La tasa de transferencia de datos brutos es de 300 kilobits por segundo en el enlace descendente y 375 kilobits por segundo en el enlace ascendente, proporcionando aproximadamente 100 kilobits por segundo en ambos sentidos para una aplicación que ejecuta Internet Protocol (IP). La movilidad está completamente soportada por el mismo traspaso de celda que el LTE convencional. En contraste, NB-IoT fue diseñado principalmente para la eficiencia energética y para una mejor penetración en edificios y bajo tierra. La compensación es una tasa de transferencia relativamente modesta. NB-IoT no se basa en la capa física (PHY) de LTE; en cambio, es un nuevo tipo de tecnología RF con una complejidad de módem incluso menor que la de un módem LTE-M. NB-IoT utiliza un estrecho ancho de banda de 200 kilohertz.

Desde la versión 13 en 2016, las especificaciones para el IoT celular han continuado evolucionando. Por ejemplo, la versión 14 introdujo una segunda forma de NB-IoT, CAT-NB2, que presentó un mayor rendimiento y algunas tecnologías de posicionamiento avanzadas para NB-IoT. Y la versión 17 incrementó aún más el rendimiento. Quizás lo más importante, mientras que NB-IoT y LTE-M se desarrollaron inicialmente como parte del estándar 4G LTE, el 3GPP ha hecho de NB-IoT y LTE-M una parte clave del estándar 5G, asegurando un desarrollo continuo a medida que la red evoluciona.

La próxima fase del crecimiento masivo de IoT se apoyará en estas redes 5G. Los ingenieros han estado pensando por adelantado para predecir lo que se necesitará y han definido un futuro que incluye 'comunicaciones de tipo máquina masiva' (mMTC). Es un futuro que prevé la instalación a gran escala de tecnología inalámbrica de baja potencia para aplicaciones de máquina a máquina (M2M). Dicha tecnología estará diseñada para el despliegue de hasta un millón de dispositivos por kilómetro.

Nordic Semiconductor lanzó su solución IoT celular, el nRF9160, un SiP de baja potencia con módem LTE-M/NB-IoT integrado y GNSS, en 2018. Eso convirtió a la empresa en pionera en la tecnología emergente de IoT celular y hoy se ha basado en esa base para convertirse en la primera en ofrecer una solución IoT masiva totalmente inclusiva y de clase mundial. La oferta de Nordic aporta simplicidad, estabilidad y eficiencia de costos al diseño, fabricación y despliegue de IoT celular.

Si el IoT va a alcanzar su potencial prometido, necesitará una base completamente ingenierizada. Al introducir soporte de extremo a extremo para IoT celular, Nordic está entre los líderes que ayudan a sus clientes a construir infraestructura IoT que perdurará. Pero la empresa apenas está comenzando; su plan es ser un diseñador y proveedor importante de partes críticas de la infraestructura que usaremos para conectar miles de millones de dispositivos inteligentes del mañana durante años.

Nordic utilizó su tiempo durante el despliegue global completo de IoT celular de cinco años de manera inteligente. Lo que hizo fue desarrollar una solución de plataforma desde cero que estaba muy por delante de sus competidores: la Serie nRF91, comenzando con el nRF9160 LTE-M/NB-IoT SiP.

Y si bien no puedes esperar operar un producto IoT celular desde algo tan pequeño como una batería de celda tipo moneda, puedes esperar hacerlo por períodos prolongados desde baterías normales un poco más grandes. Los últimos desarrollos en tecnología de baterías podrían permitir que las aplicaciones celulares IoT funcionen durante períodos de tiempo similares a la tecnología inalámbrica Bluetooth. Eso significa años en algunos casos de uso. Y los avances recientes en la recolección de energía prometen extender estas vidas útiles de operación de baterías a muchos años, si no décadas, en un futuro no muy lejano.

Desde su lanzamiento, el nRF9160 SiP de Nordic ha sido acompañado por dos nuevas y poderosas incorporaciones a la gama de SiP de IoT celular: las soluciones nRF9161 y nRF9131 LTE-M/NB-IoT y DECT NR+ ('NR+'). Estas no solo redefinen aún más las posibilidades comerciales y tecnológicas disruptivas del IoT celular, sino que también introducen por primera vez soporte y capacidades nativas de NR+ en el IoT celular.

A diferencia de la tecnología celular tradicional, NR+ no requerirá una estación base celular para operar. Operará como una red privada utilizando la banda global de 1.9 GHz exenta de licencia, sin necesidad de planeación de frecuencias ni costos de arrendamiento de espectro. Sin embargo, NR+ será una tecnología 5G de última generación que promete ofrecer todos los beneficios de la tecnología celular a un costo mucho más bajo. Esto incluye la capacidad sin interrupciones de escalar globalmente no solo a millones sino a miles de millones de nodos IoT, con la legendaria seguridad y fiabilidad de la tecnología celular.

NR+ es una tecnología inalámbrica para IoT pura que promete ofrecer conectividad inalámbrica ultra confiable en aplicaciones M2M completamente nuevas donde la falla no es una opción. Piense en vehículos autónomos de conducción automática o robots de alta velocidad que operan junto a trabajadores humanos en fábricas o almacenes, por ejemplo. O infraestructura crítica en edificios, ciudades y redes de servicios públicos.

Para abarcar toda la cadena de suministro y satisfacer la demanda del cliente, las ofertas de productos de Nordic hoy en día se han expandido a cada protocolo y tecnología principal de conectividad IoT inalámbrica. Esto incluye no solo IoT celular (NB-IoT y LTE-M) sino también la más nueva tecnología de IoT masivo, DECT NR+, así como Wi-Fi de bajo consumo, Matter, Thread, Zigbee, servicios de nube y ubicación, PMICs y extensores de rango.

Nordic redefinió originalmente el mercado de conectividad inalámbrica Bluetooth con el lanzamiento de su Serie nRF51. Y ahora está redefiniendo lo que es posible hacer en IoT celular con su avanzada Serie nRF91. Nordic tiene un historial de ser el primero en el mercado con productos de conectividad inalámbrica IoT que redefinen su clase y dejan a sus competidores esforzándose por ponerse al día, mientras Nordic se centra en desarrollar el próximo avance. La empresa también es la primera en lanzar productos con mejoras clave para las diversas tecnologías IoT basadas en estándares que respalda.

Lo más importante para los clientes de Nordic es que si especifican una solución Nordic en uno de sus productos, el dispositivo será lo suficientemente capaz para manejar varias actualizaciones de futuras generaciones. Tal garantía para el futuro no solo puede generar ahorros significativos en costos, sino también ofrecer ventajas competitivas en el tiempo de comercialización.

El IoT va a desempeñar un papel fundamental en la solución de algunos de los mayores problemas del planeta, entre los que se encuentran el cambio climático, el consumo sostenible, la conservación de los recursos naturales preciosos, la mejora de los resultados de salud y hacer del mundo un lugar más feliz, seguro y saludable para todos. Ha tardado mucho en llegar, pero 2024 podría ser el año en que la tecnología IoT celular comience a volverse más común. Esto significa ser instalada en una amplia gama de productos y formar la columna vertebral crítica que proporciona conectividad global a innumerables aplicaciones de IoT.