Seleccionar una solución de módulo inalámbrico debería ser fácil. En un mundo perfecto, sólo tendría que elegir el de mayor alcance. De este modo, no importa la distancia a la que estén desplegados los dispositivos, siempre podrán comunicarse. Pero no es tan sencillo. Afortunadamente, hay soluciones que se adaptan a cualquier caso de uso, desde la comunicación por radio de largo alcance, hasta la de corto alcance o la intermedia.
Pregunte a cualquier experto en Internet de las Cosas qué módulo de radio es el mejor y la respuesta será: "depende". Eso es porque cada tipo de dispositivo inalámbrico tiene sus propios puntos fuertes y débiles. Lo que es genial para un proyecto puede ser terrible para otro. Por ejemplo, un módulo que utiliza muy poca energía de la batería puede ofrecer también un bajo ancho de banda. Es una solución perfecta para una báscula de baño inalámbrica, pero totalmente errónea para transmitir vídeo en directo desde una sala de conferencias, y viceversa.
Con el alcance de la radio, ocurre lo mismo. Hay que evaluar el caso de uso y entender cómo se propagan las señales de radio en función del equipo y del entorno. En este artículo analizamos todas las consideraciones para determinar la mejor opción en cuanto a alcance y tipo de módulo para
su proyecto.
Factores que afectan al alcance de la señal inalámbrica
El alcance se define como la distancia máxima a la que puede haber comunicación entre dos antenas en una red inalámbrica. Pero el alcance no sólo se refiere a la distancia. He aquí algunas consideraciones importantes:
- Los obstáculos, el terreno y la física de la radio afectan al alcance.
- Otro factor es el diseño de la antena, con consideraciones como las bandas de frecuencia y la impedancia.
- El ruido es otro factor importante. Al igual que es difícil escuchar a alguien en una fiesta multitudinaria, es difícil captar una señal de radio en entornos con mucho ruido de radio.
Entre las distintas consideraciones y factores que pueden influir en la calidad de la comunicación entre los dispositivos de su red, se incluyen 10 factores diferentes.
1. Rendimiento
En IoT, a menudo es necesario comunicar pequeñas cantidades de datos desde ubicaciones remotas. La velocidad de transmisión de datos tiene un impacto significativo en el alcance. Cuando la velocidad de transmisión de datos aumenta, el alcance de la comunicación efectiva entre dispositivos puede reducirse. Esto se debe a que las velocidades de transmisión rápidas requieren una mayor relación señal/ruido para una demodulación correcta.
Si alguien habla muy rápido en una habitación ruidosa, es difícil entenderle. Si habla más despacio, es más fácil entenderle. Las radios funcionan de forma similar. Muchos dispositivos de IoT envían un único valor de sensor una vez al día. Cuando esos datos se envían a una velocidad de bits baja, pueden detectarse mucho más lejos.
2. Potencia
Las señales de radio requieren mucha energía porque, a diferencia de los mensajes que circulan por un cable, se descomponen de forma acelerada. Cuando las señales de radio se alejan de su fuente, se extienden rápidamente como las ondas de un estanque. Tanto el sonido como la radio se desintegran según la ley del cuadrado inverso. Cada vez que se duplica la distancia, se necesita cuatro veces más energía, por lo que recorrer largas distancias consume mucha más energía que las más cortas.
3. Ruido
En una red de radiofrecuencia, la señal es la información transmitida entre dispositivos. El ruido es cualquier otra cosa. La relación señal/ruido (S/N) es una métrica que compara los niveles de potencia de la señal con los del ruido. Es un factor importante para determinar el alcance del sistema de radio, porque el alcance consiste en distinguir con fiabilidad la señal del ruido, no en la distancia que puede recorrer una determinada señal de radio (que es infinita). El ruido radioeléctrico forma parte del entorno natural, que incluye:
- Radiación cósmica de fondo e interferencia solar
- Fuentes atmosféricas como los rayos
- Fuentes humanas como líneas eléctricas, motores, luces fluorescentes, interruptores, ordenadores y comunicaciones de radio no relacionadas
4. Frecuencia
Las señales de radio de baja frecuencia pueden difractarse fácilmente alrededor de los objetos y ser rebotadas por la atmósfera, lo que aumenta el alcance efectivo. Sin embargo, las frecuencias más bajas tienen un ancho de banda limitado, por lo que el rendimiento es menor. Las frecuencias más altas ofrecen un rendimiento mucho mayor, pero tienen dificultades para difractarse alrededor de los obstáculos y no son reflejadas por la atmósfera, lo que limita su alcance.
5. Pérdida de espacio libre
A medida que una señal de radio viaja por el espacio, incluso en el vacío, su señal disminuirá al repartir su energía en un área cada vez más amplia. Esta dispersión sigue la ley del cuadrado inverso, que describe la pérdida exponencial de potencia con la distancia. La pérdida en el espacio libre a una frecuencia determinada se resuelve reduciendo la distancia entre el transmisor y el receptor.
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6. Difracción
Cuando una señal de radio encuentra un objeto en su camino, se dispersa o difracta, con lo que parte de la energía se desvía alrededor del objeto, pero el resto se aleja del receptor y, por tanto, se pierde. Los bordes afilados difractan mejor que los objetos redondeados, que tienden a absorber más la señal. La difracción es sólo una de las muchas razones para evitar los objetos en la trayectoria de la señal.
7. Multitrayectoria
En entornos ideales como el espacio exterior, las señales enviadas por un transmisor siempre llegan directamente, sin reflejarse en ninguna superficie u objeto. Aquí en la Tierra, las cosas son inevitablemente más complicadas. En los casos en que la línea de visión está despejada, algunas señales llegan directamente, pero otras rebotan en objetos y terrenos cercanos, distorsionándolas. Los protocolos y sistemas de radio suelen estar diseñados para hacer frente a algunas interferencias multitrayecto. Colocar las antenas en alto y libres de obstáculos también ayuda.
8. Absorción
Las señales de radio pueden viajar una distancia infinita a través del espacio vacío; sin embargo, cuando encuentran objetos, parte de su energía es absorbida. Las señales de radio pueden atravesar paredes, pero se atenúan en el proceso. La humedad del aire puede absorber suficiente energía radioeléctrica como para perturbar las señales de alta frecuencia. Las hojas de los árboles y otra vegetación en la trayectoria de la señal pueden disipar lo suficiente como para causar problemas en frecuencias más bajas.
9. Terreno
Las colinas o montañas pueden absorber, difractar, reflejar o bloquear completamente las señales para que no lleguen a su destino. La propia composición del terreno puede influir en las bajas frecuencias, ya que las señales viajan mejor por lagos, océanos o pantanos que por zonas secas como los desiertos. La zona de Fresnel, un área en forma de balón de fútbol entre las antenas, debe estar lo más despejada posible de terreno y obstáculos para optimizar el rendimiento de las comunicaciones.
10. Antenas y alcance
Las antenas transforman las señales eléctricas en ondas de radio para transmitir información "por el aire". En los receptores, las ondas de radio se transforman de nuevo en variaciones eléctricas que los ordenadores pueden entender. Utilizar correctamente las antenas adecuadas es fundamental. Una mala elección puede limitar el alcance, gastar batería y convertir un sistema por lo demás bien concebido en una pesadilla para el soporte técnico. Para más información, consulte nuestra guía Las 10 consideraciones más importantes sobre el diseño de antenas.
Consideraciones sobre la potencia y la duración de la batería para el alcance de la comunicación
Como hemos visto, el alcance y la potencia están entrelazados en las comunicaciones inalámbricas. Hoy en día, muchas aplicaciones despliegan miles de dispositivos inalámbricos en una amplia zona, y es importante tener en cuenta el tiempo y los gastos de gestión de las baterías. He aquí un breve resumen de estos factores.
Presupuestos para la gestión de la energía
Una gestión cuidadosa de la energía del dispositivo puede alargar la vida de la batería de días a años. Una buena forma de ahorrar energía es adaptar el alcance de la radio a los requisitos de la aplicación. Elegir protocolos de menor alcance o limitar manualmente la potencia de transmisión para reducirlo de forma efectiva aumentará la duración de la batería.
Algunos protocolos pueden limitar la potencia de transmisión automáticamente con una función de velocidad de datos adaptativa que limita dinámicamente el dispositivo a la potencia de transmisión fiable más baja. Esto resulta especialmente útil cuando los dispositivos son móviles o cuando el entorno radioeléctrico cambia con el tiempo (cambios estacionales en el follaje, cambios diarios en el entorno de ruido radioeléctrico, etc.).
Modos de sueño
Para ahorrar energía y prolongar la duración de la batería, los dispositivos IoT suelen utilizar modos de suspensión cuando no son necesarios. Un módulo de radio en reposo no suele recibir transmisiones. Sin embargo, muchos casos de uso de IoT requieren que los dispositivos sobre el terreno transmitan y reciban.
Puedes utilizar un método de almacenamiento y reenvío si el diseño de la red o del protocolo lo admite. En algunos protocolos, esto se consigue mediante nodos de radio "padres" que almacenan temporalmente las transmisiones destinadas a un dispositivo "hijo" dormido hasta que éste se despierta y las solicita. En otros protocolos, un servidor de red central actúa como padre y sólo envía mensajes cuando detecta que un dispositivo remoto se ha despertado. Con una gestión adecuada de la energía, los sistemas alimentados por pilas o energía solar pueden funcionar varios años sin mantenimiento.
Ofertas de Digi por gama
Los módulos de radio Digi XBee® están disponibles en varias gamas, para adaptarse a la diversidad de aplicaciones y entornos de IoT . Un factor de forma física común, una interfaz compartida y décadas de fiabilidad hacen de la plataforma Digi XBee el líder en redes inalámbricas, tanto si su proyecto necesita comunicarse a través de una habitación como del mundo entero. Y la solución Digi LoRaWAN® ha ampliado la oferta de Digi.
Echemos un rápido vistazo a cada tipo de módulo a continuación. Para obtener información más detallada sobre el ecosistema XBee, consulte nuestro Guía de compra de XBee. Para más información sobre Digi LoRaWAN, consulte nuestro artículo sobre la Solución Digi LoRaWAN Device-to-Cloud.
Corto alcance
Las radios de corto alcance reducen al mínimo la potencia, el tamaño, el calor y el coste. Son la solución perfecta para la monitorización de la energía residencial, la automatización de edificios comerciales o la detección de invernaderos de alta densidad. Cuando se utiliza red de mallaLos mensajes pueden saltar entre módulos en su camino hacia su destino, creando redes mucho más grandes que el alcance de cualquier dispositivo de radio individual. Con tantas ventajas, debería ser la primera categoría que considere al evaluar soluciones para su aplicación IoT .
Un único módulo diminuto compatible con tres protocolos de red inalámbricos diferentes, además de BLE y programabilidad integrada. Con un alcance en la línea de visión de 1.000 metros, es una solución excelente para la domótica, el control industrial y la detección medioambiental. Las comunicaciones de corto alcance y el ancho de banda medio permiten una larga duración de la batería. Las opciones de malla permiten crear redes más extensas que el alcance de los nodos individuales, cubriendo grandes hogares o pequeñas granjas al aire libre.
Estos módulos integrados Wi-Fi llevan una de las tecnologías de red inalámbrica más populares a la plataforma Digi XBee . Con un alcance Wi-Fi estándar (300 pies) y un gran rendimiento, interoperan con cualquier estación base cercana. Esto compensa en parte los costes añadidos del protocolo Wi-Fi, que consume más energía, además de su complejidad de aprovisionamiento adicional. Es ideal para añadir un dispositivo a una red preexistente; sólo tiene que asegurarse de que su plan de aprovisionamiento incluye suficientes recursos para gestionar múltiples configuraciones de autenticación que cambiarán con el tiempo.
Todos los módulos de Digi XBee 3 integran BLE además del protocolo principal que se seleccione. BLE es común en los teléfonos inteligentes, por lo que es una manera fácil de configurar módulos, registrar datos de sensores inalámbricos alimentados por batería o crear balizas de localización. BLE suele tener un alcance bastante corto (300 pies o menos), pero consume muy poca energía, por lo que es un gran protocolo secundario para las soluciones IoT .
Gama media
Las radios de gama media consumen más energía, generan más calor y suelen ser más caras. Se emplean mejor para distancias mayores o cuando las redes de malla deben cubrir una zona más amplia. Muchos de estos protocolos utilizan frecuencias por debajo de los gigahercios que están libres de licencia, pero difieren según la región, por lo que habrá que prestar más atención a su cumplimiento. Los campos solares, el control del alumbrado municipal y la monitorización remota de equipos son grandes casos de uso de IoT para los módulos de alcance medio.
La versión de mayor potencia del módulo más pequeño de Digi para redes inalámbricas incluye BLE y programabilidad integrada. Con un alcance de 3 km, es ideal para la automatización de edificios, controles en fábricas, soluciones para ciudades inteligentes y detección agrícola en grandes áreas. Sus transmisiones de alcance medio consumen más batería que la versión de potencia normal, pero esto se puede mitigar implementando cualquiera de las diversas opciones de suspensión. Las redes pueden incluir una combinación de módulos de alta y baja potencia para optimizar la duración de la batería y los costes.
El módulo 900HP ofrece un gran alcance (hasta 28 millas con una antena de alta ganancia), así como opciones de malla para conectar en red muchos nodos cooperantes repartidos por un área extensa. Su frecuencia de 900 MHz limita su uso a Norteamérica y a un puñado de países, y su mayor alcance se consigue con un rendimiento muy bajo, pero siempre que sus características se ajusten a las necesidades de su aplicación, es una solución excelente.
Estos módulos ofrecen interoperabilidad con las radios 9XStream heredadas de Digi. Tienen un gran alcance (hasta 28 millas lin-of-sight) a bajo ancho de banda, manteniendo el estándar XBee a través de la huella de agujero. Para nuevos diseños se recomienda el Digi XBee-PRO 900HP, que es un modelo más reciente con más flexibilidad de rendimiento.
Largo alcance
Cuando hay que cubrir grandes distancias, se necesitan protocolos de largo alcance. En el caso de IoT , suele ser necesario funcionar con baterías, por lo que es habitual ofrecer un rendimiento reducido que conserve la energía mientras se mantiene un largo alcance de las comunicaciones. Los proyectos de ciudades inteligentes, la monitorización de campus industriales, la minería o la perforación remotas y los sistemas agrícolas de área amplia son aplicaciones típicas para este tipo de radio. Esto es especialmente cierto cuando los datos que hay que enviar son bastante pequeños pero tienen que recorrer una gran distancia.
XTend está disponible tanto en formato XBee de montaje en superficie como en el antiguo formato 9XTend. Ambos están diseñados para interoperar con las antiguas radios 9XTend de Digi. Su largo alcance (40 millas de línea de visión) se combina con unos requisitos de potencia bastante significativos, una buena combinación para operaciones de minería y perforación, supervisión de maquinaria pesada o estaciones meteorológicas remotas que implementan el sueño para mantener las baterías recargadas con energía solar.
Son los "módulos musculares" del ecosistema Digi XBee y ofrecen una fiabilidad y redundancia excelentes para crear sistemas inalámbricos de misión crítica y bajo consumo. Con la opción de conexión en malla, pueden crear redes que cubran áreas extremadamente extensas (hasta 65 millas de línea de visión). Las necesidades de potencia son mayores y el rendimiento es limitado a distancias más largas. Sin embargo, gracias a su amplio alcance, su gran capacidad de bloqueo de interferencias y su capacidad de comunicación por debajo del ruido de fondo, Digi XBee-PRO SX es una solución excepcional para IoT .
La incorporación más reciente a la línea Digi es un kit combinado de módulo LoRaWAN y pasarela.
La solución Digi LoRaWAN ofrece productos especializados para los extremos sensor y pasarela de la comunicación inalámbrica. La modulación inalámbrica LoRa es una tecnología sin línea de visión capaz de penetrar obstáculos como edificios, vegetación y/o zonas de alta interferencia de radiofrecuencia como la maquinaria industrial.
LoRaWAN es un estándar global que opera principalmente a 900 MHz, 868 MHz y 400 MHz -dependiendo de la normativa del país- que utiliza una configuración específica del esquema de modulación LoRa. Los sensores LoRaWAN consumen muy poca energía y tienen un alcance de hasta 100 kilómetros con comunicaciones bidireccionales. Las aplicaciones típicas sin visibilidad directa son de hasta 20 km. Las pasarelas son sistemas alimentados de alto rendimiento que conectan múltiples dispositivos y se gestionan a través de una plataforma en la nube como Digi X-ON para proporcionar una escalabilidad masiva.
LoRaWAN está optimizada para cargas útiles pequeñas y hasta miles de dispositivos por pasarela, y se puede configurar para un funcionamiento con batería de bajo consumo o con alimentación de baja latencia. Las soluciones LoRaWAN son ideales para infraestructuras exteriores distribuidas, como servicios públicos, agricultura y sistemas industriales. La nube Digi X-ON no solo gestiona el sistema de radio LoRaWAN, sino que proporciona funciones automatizadas de aprovisionamiento y despliegue de dispositivos y pasarelas.
Celular - Alcance mixto y ampliado
Siempre es difícil comparar el alcance de la telefonía móvil con otros protocolos, porque mientras que el alcance de cualquier módulo celular individual es decididamente modesto, la cobertura de la red móvil mundial significa que un dispositivo colocado casi en cualquier lugar puede comunicarse con otros dispositivos en todo el mundo.
Los nuevos protocolos son más fáciles de usar en cuanto a la duración de la batería y han mejorado las formas de ahorrar energía con los modos de suspensión. Los planes de datos móviles son necesarios, pero su coste ha bajado mucho para adaptarse a las necesidades de poco ancho de banda de IoT.
Los módulos celulares son perfectos para aplicaciones móviles o para ubicaciones fijas en las que no resulta práctico construir una infraestructura de red inalámbrica propia. Tanto si se trata de rastrear contenedores de transporte, como de supervisar máquinas expendedoras o contar divisas en un cajero automático, los módulos celulares ofrecen una cobertura global con un presupuesto reducido.
Este módulo LTE de categoría 1 con certificación de dispositivo final ofrece un alcance en la línea de visión de entre 5 y 7 millas, programabilidad integrada, BLE y las conocidas interfaces Digi XBee que aceleran la comercialización de su proyecto. El rendimiento de la categoría 1 no es suficiente para medios como el vídeo, pero es ideal para proyectos de IoT en los que es necesario transferir cantidades decentes de datos. Los planes de datos para la categoría 1 son baratos y se incluyen tecnologías como SMS, lo que proporciona una gran flexibilidad de desarrollo. Los módulos están disponibles opcionalmente con SIM preactivada, para ayudar a que los dispositivos salgan al mercado con la menor fricción posible.
Al igual que su hermano de Cat. 1, este módulo LTE-M/NB-IoT cuenta con certificación de dispositivo final, ofrece un alcance de 5-7 millas, programabilidad a bordo, BLE e interfaces familiares. Tanto el protocolo LTE-M como el NB-IoT se diseñaron para soportar aplicaciones de bajo ancho de banda IoT que necesitan un bajo consumo de energía a bajo coste. Los planes de datos para ambos protocolos son baratos y las nuevas opciones de suspensión celular pueden ayudar a que las baterías de los dispositivos duren meses o más. Las SIM preinstaladas están disponibles opcionalmente para que los dispositivos IoT puedan salir de fábrica directamente a las manos del usuario, lo que facilita su despliegue. Se trata de uno de los módulos más avanzados de la gama de soluciones IoT de Digi.
Soluciones combinadas: Corto alcance + Largo alcance
A veces, la mejor solución es combinar varios tipos de conectividad. Por ejemplo, en una aplicación de detección medioambiental remota, lo mejor sería utilizar una red de corto alcance Zigbee o DigiMesh para cubrir una zona relativamente pequeña, como una plataforma petrolífera, y luego enviar los datos a un centro de control situado a distancia por radio de largo alcance, como Digi XBee-PRO SX. En lugares menos remotos en los que se disponga de telefonía móvil, también podría ser una buena opción de backhaul. La misma red también podría implementar BLE de muy corto alcance para permitir la configuración directa de los sensores desde un smartphone local. La combinación de varios protocolos para que cada uno pueda hacer lo que mejor sabe hacer suele crear la solución ideal IoT .
Este gráfico ofrece una visión general de los protocolos, las velocidades de datos y el consumo de energía.
Fuente: Behr Tech
Resumen
Hemos tratado el alcance de las comunicaciones inalámbricas y los muchos factores que lo afectan, demostrando por qué la respuesta a la pregunta de hasta dónde llegará una señal de radio es: "depende". Entran en juego el entorno, los materiales de construcción, el terreno, las reflexiones, el clima, las antenas, la potencia de transmisión, los protocolos, las frecuencias y, sobre todo, la relación señal/ruido. Entonces, ¿cómo determinar la mejor solución?
En primer lugar, hay que tener en cuenta todas las variables:
- ¿El uso previsto es en interiores o en exteriores?
- ¿La aplicación es móvil o fija?
- ¿Qué distancia debe recorrer?
- ¿Cuál es el tamaño y la frecuencia de los datos que va a transmitir?
- ¿Habrá mucho ruido de radio?
- ¿Se alimentarán con pilas de botón o podrán conectarse a la red eléctrica?
- ¿Cuántos dispositivos o nodos se conectarán entre sí?
- ¿Qué tipo de construcción o topografía exterior prevé?
- ¿En qué regiones del mundo se desplegarán los dispositivos?
- ¿Cuánto puede costar el sistema y seguir proporcionando la rentabilidad necesaria?
Digi está aquí para ayudarle a llegar lejos, independientemente del alcance de radio que necesite. Para obtener más información, le recomendamos que consulte esta descripción general de las funciones de los dispositivos IoT y nuestra guía para seleccionar una arquitectura.
¿Necesita ayuda práctica para el diseño? Los expertos en diseño inalámbrico de Digi pueden crear diseños personalizados para resolver incluso los problemas de comunicación más complicados.
El equipo de Digi puede ayudarle a evaluar cada uno de estos factores y seleccionar la solución perfecta que se adapte a los requisitos de su proyecto y cubra los rangos necesarios. Póngase en contacto con nosotros para que le ayudemos en la toma de decisiones.