Resumen de tecnologías inalámbricas: Bluetooth, WiFi, BLE, Zigbee, Z-Wave, 6LoWPAN, NFC, WiFi Direct, GSM, LTE, LoRa, NB-IoT y LTE-M

Este artículo pretende ayudarle a seleccionar la mejor tecnología inalámbrica para el desarrollo de su nuevo producto. Las diversas tecnologías inalámbricas se abordan en relación a su funcionalidad, la velocidad, los datos y el rango operativo.

Decidir qué tipo de tecnología inalámbrica debe adoptar su nuevo producto puede ser una tarea abrumadora. No solo hay una gran cantidad de tecnologías inalámbricas que hay disponibles en la actualidad, sino que también es un objetivo en movimiento con la introducción regular de nuevas tecnologías.

Según la funcionalidad prevista de su producto, debería ser relativamente sencillo para usted determinar de inmediato qué grupo de tecnologías debe empezar a considerar.

Por ejemplo, si necesita dos dispositivos separados por 10 mts para transferir pequeñas cantidades de datos, entonces no tiene sentido usar ninguna de las tecnologías inalámbricas de larga distancia o alta velocidad.

Dicho esto, le recomiendo que lea este artículo completo independientemente de las necesidades específicas de su producto porque puede obtener una comprensión general de todas las tecnologías inalámbricas principales disponibles.

Tecnologías Peer-to-Peer

Peer-to peer simplemente significa cuando dos dispositivos están conectados entre sí para una comunicación directa. Normalmente, solo dos dispositivos pueden participar en una conexión Peer-to-Peer (de igual a igual).

En la siguiente sección discutiré lo que se llama tecnologías de red de malla que permiten que muchos dispositivos estén interconectados.

Bluetooth clásico

La tecnología inalámbrica peer-to-peer más conocida es Bluetooth. Cuando conecta su teléfono a un altavoz Bluetooth que es una conexión inalámbrica peer-to-peer entre su teléfono y el altavoz.

Bluetooth domina las aplicaciones de transmisión de audio peer to peer, como este auricular Bluetooth.
Bluetooth domina las aplicaciones de transmisión de audio peer to peer, como este auricular Bluetooth.

Debido al rango operativo relativamente corto, Bluetooth tiene una potencia bastante baja. Consume mucha menos energía que WiFi, y mucho menos que las tecnologías celulares, pero aún consume mucho más que tecnologías como Bluetooth Low-Energy o Zigbee.

Wi-Fi directo

Todo el mundo sabe algo sobre WiFi, pero pocas personas han oído hablar de WiFi Direct. Esto es cierto a pesar de que casi todos los teléfonos y tablets lo admiten. Al igual que Bluetooth, pero a diferencia del WiFi tradicional, WiFi Direct es una tecnología inalámbrica de peer-to-peer.

Como probablemente ya sepa, el WiFi tradicional configura un punto de acceso que permite que muchos dispositivos se conecten a él. Pero, ¿qué sucede si desea transferir datos directamente de un dispositivo a otro sin la sobrecarga de el punto de acceso? Ahí es donde entra en juego WiFi Direct.

WiFi Direct utiliza la misma tecnología básica que el WiFi tradicional. Utiliza la misma frecuencia y ofrece un ancho de banda y una velocidad similares. Pero no requiere un punto de acceso, lo que permite que dos dispositivos tengan una conexión directa similar a Bluetooth.

La ventaja de WiFi Direct sobre Bluetooth es principalmente velocidades de transferencia más rápidas. De hecho, WiFi Direct es cien veces más rápido que Bluetooth. Sin embargo, esa velocidad tiene un precio y ese precio es principalmente un mayor consumo de energía.

Comunicación de Campo Cercano, NFC.

La Near Fiel Comunication (NFC) es fundamentalmente diferente a las otras tecnologías inalámbricas discutidas en este artículo. NFC se comunica mediante campos electromagnéticos compartidos entre dos bobinas, mientras que todas las demás tecnologías inalámbricas emiten ondas de radio de alguna forma moduladas.

Debido a que NFC se comunica y opera a través de dos bobinas que están acopladas electromagnéticamente, el rango de operación es de solo unos centímetros. Las dos bobinas acopladas forman esencialmente un transformador con un núcleo de aire.

El uso más común de NFC es en sistemas de pago sin contacto (contactless). Aunque los datos de pago están encriptados, por supuesto, el rango operativo extremadamente corto de NFC también ayuda a eliminar la posibilidad de que alguien cercano interfiera la transacción.

NFC permite el uso de etiquetas pasivas. En este caso pasivo significa que no hay fuente de alimentación. Una etiqueta pasiva se alimenta del campo electromagnético de un dispositivo lector NFC. Tanto la comunicación como la transferencia de energía se producen entre las dos bobinas acopladas.

La ventaja de estas etiquetas pasivas es que son simples, baratas, pequeñas y duran casi indefinidamente ya que no tienen batería. También hay disponibles etiquetas activas que incluyen una pequeña batería.

Como nota al margen, la carga inalámbrica de dispositivos, donde la recarga de un dispositivo se realiza colocándolo sobre una alfombrilla de carga, también aprovecha este mismo fenómeno de transferencia de energía entre dos bobinas magnéticamente acopladas.

Tecnologías de malla de bajo consumo / corto alcance / datos reducidos

Hay cuatro tecnologías comunes para crear una red de bajo consumo de energía y baja transferencia de datos: Bluetooth Low-Energy, Zigbee, Z-Wave y 6LoWPAN.

Si su producto funciona con baterías y necesita enviar cantidades relativamente bajas de datos a poca distancia, entonces una de estas cuatro tecnologías es probablemente la mejor solución.

El bajo consumo es una característica crítica apoyada por los cuatro estándares de estas tecnologías que adoptan la forma de una red de malla, a veces referido como un muchos-a-muchos red.

Normalmente, para enviar datos desde el dispositivo A al dispositivo C, debe formar un enlace directo entre el dispositivo A y el dispositivo C. Este es el caso de las tecnologías de peer to peer como Bluetooth y WiFi Direct.

Pero con las redes de malla, puede enviar datos desde el dispositivo A al dispositivo C pasando por el dispositivo B. Los datos se envían desde el dispositivo A al dispositivo B, que luego retransmite los datos al dispositivo C. Esto le permite crear una enorme red de dispositivos interconectados que puede cubrir un área muy grande con un consumo de energía extremadamente bajas.

Por ejemplo, imagine que dispone de 26 dispositivos etiquetados de la A a la Z, que están espaciados 30 metros entre cada dispositivo. Normalmente, si quisiera enviar datos desde el dispositivo A hasta el dispositivo Z ubicado a casi 1000 metros de distancia, necesitaría un transmisor con una potencia considerable. Esto requiere un producto con una gran batería y también gran consumo.

Pero con la red de malla, puede transmitir los datos del dispositivo A al dispositivo B, al dispositivo C, y así sucesivamente hasta el dispositivo Z. Ningún dispositivo tiene que transmitir los datos a más de 30 mts, por lo que la potencia requerida por cada dispositivo es mucho más baja.

Las redes de malla pueden abrir muchas aplicaciones realmente interesantes.

Bluetooth de baja energía (BLE)

Bluetooth Low-Energy es mucho más que una versión de bajo consumo de Bluetooth Classic. De hecho, sus aplicaciones son completamente diferentes a las del Bluetooth normal.

Bluetooth LE es probablemente el tipo de funcionalidad inalámbrica más común para los productos que ayudo a desarrollar. Está diseñado para transmitir / recibir pequeñas cantidades de datos con bastante poca frecuencia, todo mientras consume cantidades extremadamente bajas de energía.

BLE tiene un sin fin de aplicaciones, pero una de las más comunes es la transmisión de datos de sensores. Un dispositivo sensor que debe medir la temperatura una vez por minuto, o un dispositivo GPS que registra y transmite su ubicación cada 10 minutos, son algunos ejemplos.

En muchos casos, los productos Bluetooth LE se alimentan solo con una pequeña batería de tipo botón. Si los datos se envían con poca frecuencia, un dispositivo BLE que funciona con una batería de tipo botón, CR2032 por ejemplo, puede tener una duración de un año o más.

Bluetooth LE es ampliamente compatible con teléfonos móviles y tablets, lo que lo convierte en una solución ideal para conectar su producto a una aplicación móvil. También admite una velocidad de transferencia decente de hasta 1 Mbps (el Bluetooth clásico puede alcanzar hasta 2-3 Mbps).

Al igual que con todas las tecnologías discutidas en esta sección, BLE admite redes de malla. De hecho, permite redes de malla con hasta 32,767 dispositivos.

A menos que tenga una razón sólida para elegir una de las otras tecnologías que analizo en esta sección (Zigbee, Z-Wave y 6LoWPAN), le sugiero que use Bluetooth LE. Es la tecnología inalámbrica más fácil de implementar, consume muy poca energía y es compatible con más dispositivos.

Zigbee

Zigbee es otra tecnología de red de corto alcance similar en muchos aspectos a Bluetooth LE con aplicaciones similares. Utiliza la misma frecuencia portadora de 2,4 GHz, consume muy poca energía, funciona en un rango similar y ofrece redes de malla.

De hecho, una red de malla Zigbee puede incluir hasta 65.000 dispositivos, el doble de los que admite Bluetooth LE. Sin embargo, todavía tengo que ver una aplicación que supere cualquiera de los límites.

Zigbee se utiliza principalmente para aplicaciones de automatización del hogar, como iluminación inteligente, termostatos inteligentes y monitoreo de energía en el hogar. También se usa comúnmente en automatización industrial, medidores inteligentes y sistemas de seguridad.

Z-Wave

Z-Wave es una tecnología inalámbrica patentada (adquirida por Silicon Labs en 2018) que compite principalmente con Zigbee y BLE en el mercado de la automatización del hogar.

A diferencia de BLE y Zigbee, que utilizan la popular banda de 2,4 GHz, Z-Wave utiliza una banda por debajo de 1 GHz. La banda exacta varía en muchos países, lo que puede causar complicaciones si desea vender su producto a nivel mundial. En los EE. UU., Z-Wave opera a 908 MHz, mientras que en Europa usa 868 MHz. Otros países y regiones utilizan todo el espectro, desde 865 MHz hasta 921 MHz.

Hay dos ventajas significativas de usar una frecuencia portadora más baja: mayor alcance y menor interferencias. Las ondas de radio de baja frecuencia tienen una larga longitud de onda y se propagan más. La banda de 2.4 GHz utilizada por BLE y Zigbee también se usa para WiFi, Bluetooth Classic e incluso su horno de microondas, por lo que existe un gran potencial de interferencia.

Las bandas de frecuencia utilizadas por Z-Wave tienden a estar mucho menos concurridas. La desventaja de la frecuencia portadora más baja es una velocidad de transmisión de datos más baja que termina siendo casi 10 veces más lenta que Bluetooth LE.

Z-Wave también admite redes de malla pero más pequeñas, de hasta 232 dispositivos, lo que es más que suficiente para la mayoría de las aplicaciones.

6LoWPAN

6LoWPAN es una tecnología de nombre extraño que combina dos siglas diferentes. El 6 se refiere a la versión 6 del Protocolo de Internet (IP) y el LoWPAN se refiere a la Red de área personal inalámbrica de bajo consumo. Pegadizo el nombre, lo sé.

6LoWPAN es esencialmente un nuevo competidor para el tipo de red Zigbee. El diferenciador principal es que 6LoWPAN es una red basada en IP como WiFi. Al igual que con Zigbee y Z-Wave, 6LoWPAN se utiliza principalmente para aplicaciones de automatización del hogar y medidores inteligentes.

Tecnologías de red de área local (LAN)

El WiFi, quizás incluso más que el Bluetooth, probablemente requiera poca presentación. Si su producto requiere acceso a Internet y siempre se utilizará cerca de un punto de acceso WiFi, entonces WiFi es la opción lógica a adoptar. WiFi se conoce como tecnología de red de área local (LAN) debido a su área moderada de cobertura.

Mundo iot

El WiFi es rápido, barato, relativamente fácil de implementar, tiene un buen rango operativo y está ampliamente disponible a día de hoy. La mayor desventaja de WiFi, al menos para los productos móviles, es el alto consumo de energía. Debido al mayor consumo de energía  generalmente es mejor usar otras tecnologías inalámbricas si realmente no necesita el rendimiento en datos que ofrece Wifi.

Tecnologías celulares de larga distancia

Si su producto necesita acceso a la nube, pero no estará ubicado constantemente cerca de un punto de acceso WiFi, es probable que su producto necesite una radio celular para comunicaciones de larga distancia.

El tipo exacto de tecnología celular requerida para su producto depende de qué tan rápido necesite transferir datos y, en menor medida, de dónde se venderá su producto.

GSM / GPRS

Durante mucho tiempo, GSM (Sistema global para comunicaciones móviles) junto con GPRS (General Packets Radio Service) para la transferencia de datos ha sido la tecnología celular más utilizada para productos que no requieren grandes cantidades de transferencia de datos. Esto se debe principalmente a la amplia disponibilidad y al costo de hardware relativamente bajo del GSM / GPRS.

Desafortunadamente, eso ahora está llegando a su fin. La mayoría de los operadores de telefonía celular de todo el mundo están eliminando el GSM de su oferta para poder liberar más ancho de banda para los teléfonos inteligentes 4G y 5G que requieren grandes cantidades de transferencia de datos.

Aún es peor, no existe una tecnología alternativa obvia, al menos de momento. La opción más probable es actualizar el hardware de una solución GSM a una tecnología celular LTE, pero eso conlleva un gran aumento de precio.

LTE

LTE es una tecnología celular 4G que admite velocidades de datos mucho más rápidas que GSM. Si su producto requiere velocidades de transmisión de datos celulares muy rápidas, es probable que LTE sea la mejor opción.

Pero si su producto realmente no requiere ese nivel de velocidad de datos, entonces pagará por un servicio y hardware que simplemente no necesita. Un módulo GSM integrado se puede comprar en China por solo unos pocos euros, mientras que los módulos LTE pueden costar más de 25 € en 2021. El costo del servicio de operador para LTE también será significativamente más alto que para GSM.

Con la enorme popularidad de los dispositivos de Internet de las cosas (IoT), esta brecha en las opciones tecnológicas se ha vuelto aún más pronunciada. Sin embargo, este vacío está en proceso de ser llenado por varias tecnologías inalámbricas nuevas que discutiré en la siguiente sección.

Tecnologías de larga distancia de bajo consumo

Si necesita una comunicación de larga distancia con poca transmisión de datos, como lo hacen muchos productos y sensores de IoT, sus opciones tecnológicas no son tan claras como para otras aplicaciones. Este tipo de red se conoce comúnmente como LPWAN o Low Power Wide Area Net.

Por ejemplo, si su producto recopila datos meteorológicos en estaciones con ubicaciones remotas y carga automáticamente esos datos en la nube, es probable que se necesite una tecnología LPWAN. Como ya he señalado, ni las tecnologías celulares GSM ni LTE son adecuadas para aplicaciones de baja velocidad de datos.

Hay otras tecnologías inalámbricas disponibles que ofrecen buenas soluciones a este problema, incluidas LoRa, NB-IOT y LTE-M. Desafortunadamente, ninguno de estos son estándares globales ampliamente respaldados. Esto hace que su implementación sea desafiante, o imposible, para muchos productos dependiendo de dónde vallan a trabajar

LoRa / LoRaWAN

LoRa (abreviatura de Long-Range) permite una comunicación de muy largo alcance de más de 10 Km en algunas áreas, mientras consume poca energía. Es una tecnología inalámbrica patentada adquirida por Semtech en 2012.

LoRa utiliza varias bandas de frecuencia según la región de operación. En Europa la frecuencia es 868 MHz y en Norteamérica se utiliza 915 MHz. Otras zonas también pueden usar 169 MHz y 433 MHz.

LoRa se refiere a la tecnología subyacente de emisión y se puede utilizar directamente para comunicaciones entre pares. LoRaWAN se refiere al protocolo de red de capa superior.

Si está buscando una solución peer-to-peer de bajo consumo, larga distancia, entonces LoRa es una excelente opción. Por lo general, puede comprar módulos LoRa más baratos que los módulos LoRaWAN.

Si necesita que su producto se conecte a una red LoRaWAN existente, entonces se requiere un módulo LoRaWAN más caro que incluya la capa de red. Las redes LoRaWAN solo están disponibles en algunas partes de Europa y no en América.

Aunque LoRa está diseñado para poder operar en un amplio rango, no es una tecnología celular que pueda conectarse a redes móviles. Esto lo hace menos complejo y más económico de implementar, pero sus aplicaciones son más limitadas.

Por ejemplo, si su producto requiere acceso de larga distancia a la nube, deberá proporcionar un dispositivo de puerta de enlace LoRa para poder conectarse a Internet. El dispositivo de puerta de enlace se conecta a Internet y se comunica con cualquier dispositivo LoRa remoto.

Pero LoRa no proporciona a ningún dispositivo remoto un método para acceder de forma remota a la nube, asumiendo que no hay una puerta de enlace LoRa dentro del rango operativo.

NB-IOT

A diferencia de LoRa / LoRaWAN, NB-IOT es una tecnología celular. Esto significa que es más complejo, más caro de implementar y consume más energía. Pero ofrece conexiones celulares de mayor calidad y acceso directo a Internet.

NB-IOT solo se diseñó para transmitir cantidades muy pequeñas de datos. La mayor desventaja de NB-IOT es la disponibilidad limitada. Actualmente solo se está en Europa. 

Es probable que no tenga sentido implementar esta tecnología en su producto ahora, pero será más práctica en los próximos años.

LTE-M

Si su producto requiere acceso celular de larga distancia con velocidades de datos más altas que las admitidas por LoRa o NB-IOT, entonces puede considerar LTE-M como opción.

LTE-M es una abreviatura de LTE (Long Term Evolution) Cat-M1. Esta tecnología es para dispositivos de Internet de las cosas que necesitan conectarse directamente a una red móvil 4G. Es un subconjunto de la tecnología celular LTE que está optimizado para dispositivos de baja velocidad de datos que funcionan con baterías pequeñas.

LTE-M se diferencia del LTE estándar en algunos aspectos fundamentales. Primero, es más económico de implementar porque se pueden usar chips más simples debido al ancho de banda más limitado.

En segundo lugar, está optimizado para reducir el consumo de energía y no consumir rápidamente las baterías pequeñas. Finalmente, los costos del servicio celular son significativamente más bajos porque no está utilizando ni de cerca el ancho de banda requerido por LTE estándar.

Conclusión

La clave para seleccionar una tecnología inalámbrica es acotar sus requisitos para que pueda concentrarse exclusivamente en las tecnologías más viables. El rango operativo requerido, la velocidad de transmisión de datos, el consumo de energía y el costo son los criterios principales para seleccionar que tecnología inalámbrica adoptar.

Por supuesto, como ocurre con todas las cosas en ingeniería, no se puede hacer todo a su manera y hay muchas maneras de hacer las cosas. Por ejemplo, un rango operativo grande requiere un mayor consumo de energía. Lo mismo es cierto para velocidades de datos más rápidas. Siempre habrá un toma y daca entre algunos criterios. Nunca existe una solución perfecta.

Si está buscando una tecnología que ofrezca larga distancia, bajo consumo de energía, altas velocidades de datos y bajo costo, nunca encontrará una solución realista. Por contra, sugiero que priorice sus criterios de diseño y comience a reducir sus opciones a partir de estos.


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