Desafíos de la Internet de las cosas y conectividad inalámbrica en el mundo superconectado (inglés)

Tyler Kern (00:00): 

Bienvenidos a CONNECTED World, un podcast para que los ingenieros aprendan más sobre las tendencias que influyen en el mundo conectado y la tecnología que convierte lo imposible de hoy en lo increíble del mañana. 

Tyler Kern (00:15): 

Hola y bienvenidos a CONNECTED World, un podcast de TE Connectivity. Soy Tyler Kern. Muchas gracias por acompañarme en este episodio del podcast. Hoy, hablaré con Christian Koehler. Es el gerente de Gestión de productos para Soluciones de RF en TE Connectivity, y vamos a analizar los desafíos de Internet de las cosas y conectividad inalámbrica en el mundo superconectado. Christian, muchas gracias por acompañarme hoy. 

Christian Koehler (00:35): 

Muchas gracias. Gracias por la amable invitación. Lo aprecio mucho. 

Tyler Kern (00:39): 

Me entusiasma mucho obtener tu análisis experto y tus ideas sobre este tema hoy, Christian. Para comenzar, haré una pregunta que ya hicimos a varios de nuestros expertos en el podcast: ¿cuáles son algunos de los mayores desafíos actuales que enfrenta la Internet de las cosas y conectividad inalámbrica en el mundo conectado? 

Christian Koehler (00:53): 

Este es un punto verdaderamente importante. Voy a empezar con algunos de los desafíos globales. Cuando hablo de desafíos globales me refiero, por ejemplo, a los desafíos técnicos, que pertenecen a la cobertura. Es decir, la conexión inalámbrica de Internet de las cosas, los dispositivos de Internet de las cosas. En general, necesitan cubrir un área determinada, la eficiencia de NFT, por ejemplo. Las velocidades de datos, que generalmente se requieren en la actualidad, y otras características técnicas en combinación con la tecnología inalámbrica. Así que esos son algunos de los desafíos técnicos. Después hay algunos desafíos comerciales, por ejemplo, podemos hablar de la calidad de servicio. La comunicación ultrafiable y de baja latencia. Es posible que hayan oído hablar de esto. Por lo tanto, a menudo se requiere una latencia muy corta, una reacción muy rápida de los servicios inalámbricos. En la actualidad, la calidad de los servicios se torna cada vez más importante para ciertas aplicaciones. Después está la seguridad: pensemos en todos los dispositivos que están conectados. Tienen que mantenerse protegidos, no deben ser pirateados en ningún momento y deben actualizarse por razones de seguridad.

Christian Koehler (02:03): 

Y así sucesivamente. Por último, pero no menos importante, el costo y la escalabilidad son dos parámetros significativos en términos de desafíos comerciales, y el tercero es el ecosistema. Por lo tanto, al pensar en el ecosistema, es esta solución la que probablemente se desarrollará a prueba de futuro. Los dispositivos deben tener un alcance global y una interoperabilidad entre sí cuando los mercados se expanden de los mercados locales a otras regiones, por ejemplo. Hablamos de una banda ancha móvil mejorada, lo cual es un desafío con las velocidades de datos que suben a 10 gigabits por segundo y más. La comunicación es masiva de tipo máquina. Masiva a menudo significa un millón o un par de millones de dispositivos por kilómetro cuadrado. Generalmente, esa es la comunicación ultrafiable y de baja latencia. Y hay algunos estándares inalámbricos, que los clientes y desarrolladores pueden seleccionar, como los estándares de áreas inalámbricas de corto alcance que ofrecen velocidades de transmisión de baja potencia. Y hay un estándar celular tradicional disponible. 

Christian Koehler (03:16): 

Según el área que se debe cubrir y los requisitos de consumo de energía y de velocidad de datos, uno u otro de los estándares podría ser el indicado, el adecuado para esta aplicación específica. Ahora lo que también enfrentamos es el crecimiento muy fuerte y exponencial del tráfico inalámbrico. Eso significa que tiende a congestionarse cada vez más. Por lo tanto, no se van a agregar tantas bandas de frecuencias nuevas al espectro. Al menos cualquier espectro inferior a seis gigahercios; solo unas pocas frecuencias nuevas están disponibles para estar [libres de] interferencias. Debido al crecimiento exponencial del tráfico, eso significaría una interferencia en todas partes: una especie de competencia en el aire, por así decirlo, para lograr la mejor conectividad. También está la complejidad en el diseño de las antenas. ¿A qué me refiero? En general, las antenas son diferentes de los componentes pasivos regulares o de la mayoría de estos. Las antenas son un tema aparte. 

Christian Koehler (04:22): 

Hubo una tendencia a evitar esta complejidad o incluso a ignorarla. Las antenas, cualquiera de ellas, solían considerarse como si fueran componentes en general, como un condensador o una resistencia, algo así. Y el siguiente desafío en común es entender los requisitos de RF. ¿Cómo sé si mi antena es lo suficientemente buena? ¿Y cómo sé si es lo suficientemente buena para la actualidad? Y aún más importante, si será lo suficientemente buena en el futuro para enfrentar el crecimiento exponencial del constante... y cuando se sumen más interferencias a los canales. Y así sucesivamente. Existe un alto nivel de integración de funcionalidad en los dispositivos de Internet de las cosas, que es otro desafío. 

Christian Koehler (05:04): 

Muchos indicadores clave de rendimiento tienen que competir [por] eso. Por ello, el que necesito debe tener la batería más grande. El otro que necesito debe tener la pantalla y la antena más grandes. Y a menudo hay una lucha constante por lograr el mejor compromiso posible dentro de esos dispositivos. Eso también es consumo de energía. Creo que ya lo mencioné; la relación costo-rendimiento. Otro gran desafío al que nos enfrentamos es la experiencia en el mercado. Es decir, la experiencia de las empresas emergentes, por ejemplo, incluso las empresas bien establecidas que no se ocuparon de los servicios inalámbricos en el pasado. Y de repente pasa que la conectividad inalámbrica tiene que estar integrada en los dispositivos. Y muy a menudo, el nivel de complejidad de este tema diría que se toma de manera muy superficial o fácil, lo que puede llevar a problemas.

Tyler Kern (06:00): 

Absolutamente. Entonces, obviamente, hay muchísimos desafíos en el mercado en este momento, y numerosos desafíos para los ingenieros en la industria. Y ahí mencionaste varios. Frecuencia, congestión y las complejidades y cuestiones que se suman en ese sentido. Christian, ¿cómo crees entonces que los ingenieros enfrentan estos desafíos, y qué innovaciones surgen a partir de estos para ayudar a resolver este tipo de problemas en el futuro? 

Christian Koehler (06:23): 

Si investigamos la industria, creo que los grupos de ingeniería más avanzados se pueden encontrar en los teléfonos inteligentes de los dispositivos portátiles. Por ejemplo, dispositivos portátiles como tabletas o incluso computadoras portátiles. Así que a desarrollar antenas para esos dispositivos. Nada se deja al azar. Cualquier persona bien informada y con décadas de experiencia sabe que las cuestiones importantes tendrían que considerarse. Solo algunas personas realmente saben cómo diseñar antenas, y nada sale mal. Llegan a un compromiso de trabajo excelente muy rápidamente, pero a menudo, los clientes tienen que implementar servicios inalámbricos. No lo han hecho antes, y solo la disponibilidad de cientos y miles de las llamadas antenas estándar en el mercado hacen creer que lo que está escrito en la hoja de datos es cierto. Y, por experiencia, puedo decir que todo es verdad. Aceptemos los datos de RF. Así que, por supuesto, las antenas también, 

Christian Koehler (07:34): 

Como implementador de antenas, no puedo solo confiar en la base de datos de RF y la hoja de datos como lo haría para cualquier otro componente pasivo, como los condensadores. En general, lo que está escrito en la hoja de datos es cierto para las antenas. También es cierto que esto está relacionado con un plano de referencia medido en espacio libre y así sucesivamente. Por lo tanto, es muy peligroso usar hojas de datos, pero muy a menudo se toma este enfoque. Seleccionamos una antena del catálogo, la colocamos en la placa, encendemos la placa, pero no funciona. Y, a veces, aparece un problema posteriormente. Así que, en general, en cuanto a las antenas, recibimos muchas solicitudes de oportunidades de Internet de las cosas para casos en los que se necesita un producto pequeño y barato. Necesitamos ser y tener la antena más pequeña y más barata. Y me pregunto, si hablamos de cosas pequeñas, "¿qué es barato?". 

Christian Koehler (08:30): 

Y si volvemos al teléfono, esto se aplica al celular. Algunos intentaron hacer antenas que fueran lo más grandes posible. Y entonces, el costo también es muy importante, pero ¿qué es lo opuesto a una antena barata cuando la conectividad no es lo suficientemente buena? Lo que también vemos a menudo es que las antenas se implementan muy tarde en el ciclo de diseño de nuevos dispositivos. Y cuando esto ocurre, quedan oprimidas entre otros componentes de los dispositivos existentes, que deben actualizarse mediante el servicio inalámbrico. Esto significa que la comprensión de los dispositivos, parte de la antena, a menudo no está tan bien desarrollada, y TE puede ayudar a manejar esos desafíos mediante un enfoque holístico basado en décadas de experiencia con teléfonos móviles, que para mí son desafiantes dispositivos ruidosos. Por lo general, son pequeños y tienen que cumplir con requisitos personalizados rigurosos. Tienen que disponer de una buena eficiencia de la batería. En general, tienen una batería grande, una pantalla grande, etc. Todo tiene algo contradictorio en relación con una función de las antenas, y aún así, hasta seis, siete u ocho antenas normalmente tienen que fragmentarse en factores de forma tan pequeños. En este punto es donde el equipo de TE realmente puede ayudar. Observamos que los enfoques adoptados por otros muy a menudo no están sintonizados ni adaptados a las antenas celulares específicas. 

Tyler Kern (09:58): 

Christian. Algo que mencionaste fue que la implementación de antenas generalmente se considera demasiado tarde en el proceso del ciclo de diseño. Quedan oprimidas entre otros componentes. Desde tu perspectiva, ¿cuál es un buen momento durante el ciclo de diseño para considerar dónde debe ir la antena y la implementación de las antenas dentro del dispositivo? 

Christian Koehler (10:18): 

Es una muy buena pregunta. Y hay algunas declaraciones claras de amigos como AT&T. En mi opinión, que hay tres elementos clave en un ciclo de diseño cuando se trata de un nuevo desarrollo de un dispositivo. En primer lugar, hay que definir el caso de uso para comprender bien los requisitos de RF; por ejemplo, para una cámara de seguridad HD que requiere un panel omnidireccional, se requiere una señal fuerte en general. Por lo tanto, un buen tipo de actividad tal vez sería contar con dos o tres antenas para ejecutar MIMO para que el monitor de energía residual tenga buen rendimiento, que por lo general tiene que transmitir unos pocos bytes o kilobytes por día. Como funciona con batería, tiene requisitos totalmente diferentes, y la antena tiene que ser altamente eficiente. El segundo elemento clave es preparar un presupuesto del enlace para comprender el peor de los casos en el campo. Incluso si el dispositivo está funcionando en el laboratorio, eso no significa obligatoriamente que funcione muy bien en el campo y en las zonas rurales donde la intensidad de la señal es inferior. 

Christian Koehler (11:26): 

Y la pregunta es, ¿tenemos suficiente margen para garantizar el rendimiento requerido? Y el tercer elemento clave es considerar y comprender las condiciones del dispositivo. ¿Qué tamaño de dispositivo quiero hacer? Qué componentes, qué otras antenas, qué latas de tiro, qué baterías... Los transformadores también tendrían que estar cerca de antenas, lo que puede tener un impacto. Esos son los tres elementos para describir el nivel de complejidad que está involucrado en el diseño de la antena, y está más que claro que una antena no se puede diseñar al final del ciclo de diseño. Sí. Es algo que se debe considerar al inicio de un producto, incluso antes. Por lo general, incluso si consideramos el diseño de la antena justo al comienzo del ciclo de un producto, en el cambio mecánico de un dispositivo, es necesario verificar el diseño en relación con una influencia potencial en el rendimiento de la antena, que puede requerir ajustes rápidos de sintonización a tiempo, cuando sea necesario. 

Christian Koehler (12:30): 

Me gustaría hablar sobre la siguiente muestra de un medidor de potencia. Llegamos temprano. El requisito era conseguir una antena LTE para un medidor de potencia con fines de monitoreo por control remoto. Todo estaba perfecto. El servicio de asistencia de los pares era preciso. El plano de tierra era preciso. La antena estaba en un lugar perfecto. Pero durante el diseño, fue necesario mover unos milímetros una supertapa para ver la antena, y eso perjudicaba por completo el rendimiento de la banda baja. Así que nos tomó un tiempo encontrar la causa raíz. Son cambios tan pequeños en el diseño del dispositivo que pueden tener un impacto muy, pero muy significativo. Por eso reitero, estoy seguro de que se debería hablar de la implementación de antenas tan pronto como sea posible en el ciclo de diseño. 

Tyler Kern (13:23): 

Christian, ya hemos hablado sobre cómo el rendimiento de la antena se ve afectado por su colocación. Y diste un excelente ejemplo para mostrar la degradación del rendimiento de banda baja de la antena debido a los componentes que estaban colocados cerca de ella y cosas por el estilo. Cuéntanos un poco más sobre los indicadores de rendimiento para las antenas incorporadas. ¿Cómo se mide el rendimiento de la antena y cuáles son sus características? 

Christian Koehler (13:49): 

Si pensamos en una antena incorporada o integrada con un diseño exitoso. No me gustaría hablar tanto de antenas externas, porque son bastante fáciles de implementar, y las mediciones y los indicadores de rendimiento son bastante predecibles y repetibles. No ocurre lo mismo con las antenas incorporadas. Por lo tanto, para el diseño de antenas incorporadas en dispositivos inalámbricos, a menudo se deben realizar una serie de mediciones para cuantificar el rendimiento de la antena en el producto real. Por lo tanto, no tiene sentido alguno medir la antena en espacio libre y luego implementarla en el dispositivo y dejarla con un rendimiento similar. Uno de los indicadores de rendimiento es el ancho de banda. El ancho de banda es muy importante, tiene que ver con el diseño de la antena, con la ubicación de la antena. Otro indicador es la ganancia, por supuesto. Por último, muchas personas que buscan una ganancia alta, a excepción de las antenas, que se supone son una directiva para las conexiones punto a punto, o que la antena debe tener dos o casi cero dBi. 

Christian Koehler (14:56): 

Muy poca ganancia significa un rendimiento omnidireccional muy bueno, y muchos dispositivos de Internet de las cosas tienen que funcionar en un entorno aleatorio, por lo que nadie puede predecir de antemano. Mientras que mi acceso o punto de acceso en relación con el dispositivo de Internet de las cosas puede ser por adelante, la parte trasera, la derecha o la izquierda. Por lo tanto, el dispositivo de Internet de las cosas funciona con un omnidireccional, perfecto. Si hay un soporte con ganancia, control y aislamiento, no debo olvidar el aislamiento en algunos de los dispositivos. Se necesitan múltiples antenas. A menudo no deben influenciarse entre sí ni interferir entre sí. Aquí la cuestión básica importante es la eficiencia. Perdón, la eficiencia de mi voz junto bajó un poco y es posible que hayan visto o escuchado lo que sucede. Así que, por más que el ancho de banda, la ganancia y el aislamiento estén completamente bien, si la eficiencia no es buena, mi voz será muy difícil de entender. 

Christian Koehler (16:02): 

Si hubiera mucha interferencia, tengo que competir con esta interferencia, superarla y hablar lo suficientemente alto. Ya hemos visto que la eficiencia es uno de los parámetros más importantes que se debe medir para las antenas incorporadas, que pueden tener una especie de tutor de eficiencia de clasificación máxima (pase lo que pase), una integración estrecha u otros componentes cercanos con un impacto potencial. La antena debe actuar como un transductor entre la radio y el medio de propagación. Si la antena recibe algún impacto, el sonido no sale. 

Christian Koehler (16:41): 

Quiero explicar esto, ¿es el peor caso posible? Teníamos un cliente que tenía la antena perfectamente sintonizada. El ancho de banda tenía un aislamiento muy bueno. Por lo tanto, no hubo interferencia entre las antenas. Y no eran antenas para impresora. En el exterior de la impresora, había una pintura con contenido de metal. Con la pintura, se imprime una carcasa con metal que contiene barniz. El cliente creó una especie de jaula de Faraday. Todos los parámetros eran perfectos en la antena, todo estaba bien sintonizado, pero la eficiencia era cero y la impresora no funcionaba como se esperaba. Todos los demás parámetros se tornaron menos importantes en esta instancia por el impacto simple y único de una jaula de Faraday. 

Tyler Kern (17:29): 

Eso es muy interesante. Aprecio la lección sobre el objeto, el ejemplo de qué sucede cuando ciertos aspectos no funcionan, ya sea la interferencia, o la voz lejana y difícil de escuchar. Pensé que era una gran manera de describirlo, especialmente en un podcast, que es un medio de escucha de todos modos. Por eso pensé que era realmente bueno. Una de las cosas que mencionaste mucho sobre la eficiencia, ¿cuál es la diferencia entre VSWR y eficiencia? 

Christian Koehler (17:54): 

Me alegra que se haga esta pregunta sobre la VSWR. Esta relación de onda estacionaria de voltaje también es una especie de medida de la coincidencia de impedancia de las cargas con una impedancia característica de una línea de transmisión. En otras palabras, la radio o el módulo de RF como una impedancia de 50 ohmios, y dentro de la frecuencia, la antena también debe funcionar con una impedancia de 50 ohmios. Así que la mejor relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR) estaría cerca de uno, que es lo ideal. Si eso fuera un atajo en lugar de una antena, este sería infinito. Ese sería el mejor de los casos. Por otro lado, sirve para medir hasta sintonizar la antena; basta con tener un analizador de red para poder ver en qué medida se alimenta la antena. Dice mucho sobre el rendimiento de la antena. Nos indica que es bueno, se acopla a través de una inclinación con medición. 

Christian Koehler (18:53): 

Aquí tenemos un muy buen conjunto de información para conocer las características de la antena. Sin embargo, dentro de un dispositivo que tiene todas las cerchas cerradas y todos los componentes adentro, e idealmente si está encendido como para tener otras fuentes de ruido, como las interfaces que interfieren con la antena, la medición de la eficiencia es una cosa totalmente diferente. La eficiencia de la antena se basa en la comparación con la radiación total. ¿Cuánto tiempo se cuenta para la potencia de entrada en los terminales de Internet en un mundo fácil? Por lo tanto, si una antena tiene una eficiencia del 10 %, entonces el 90 % de la potencia de RF, que se transmite desde el módulo de RF, se convierte en calor o algo más, pero no se irradia al aire. Así que, se irradió el 10 % y se transformó en calor el 90 %. No queremos hacerlo a menudo, ¿verdad? Necesitamos hacer una antena. Así que ahora la pregunta es cómo mejorar esto, cómo averiguar qué eficiencia se requiere para tener una cámara anecoica o mejor una cámara Timo establecida, que es una cámara anecoica con un anillo de censo. 

Christian Koehler (20:04): 

Había una tabla de tonos medida, necesaria para medir el patrón de radiación tridimensional, que lleva algo de tiempo. Es una especie de integración de la potencia por la radiación. Es solo un patrón de radiación tridimensional que proporciona la eficiencia. Cuando este equipo no existe en la red. El analizador es bueno para verificar los conceptos básicos de una antena, pero no dice nada acerca de mi eficiencia. Queremos saber en qué medida son buenas la transmisión y la recepción del dispositivo final. 

Christian Koehler (20:37): 

Para ese tipo de parámetros, se necesitaba una cámara acuática. Para calcular la eficiencia, era necesario combinarlos con una antena completamente instalada en el dispositivo con todos los componentes instalados. ¿Qué sucede si la eficiencia es cero? Podemos imaginar que no había conectividad inalámbrica; el cliente no estaba satisfecho. Y si la eficiencia es lo suficientemente buena para el laboratorio, pero no para el peor de los casos, el resultado puede ser el mismo: un cliente insatisfecho. La medición de la eficiencia ofrece una buena indicación de qué rendimiento inalámbrico puedo esperar en esos casos en un campo.  

Tyler Kern (21:23): 

Excelente Christian, estamos llegando al final de nuestra conversación de hoy, pero quiero darte la oportunidad para que cierres con algún tema sobre antenas y la Internet de las cosas que no hayamos analizado hasta ahora y que tal vez sería bueno mencionar antes de terminar, o incluso tal vez deseas dar una conclusión en cuanto al estado de la industria. Si hay algo que aún no hayamos analizado, o si quieres agregar algún comentario final, este es el momento. 

Christian Koehler (21:48): 

Un problema que surge con frecuencia es la banda estrecha, el famoso servicio de Internet de las cosas, que a menudo proporciona un servicio seguro y registrado, y bandas de gasto con licencia con responsabilidad. Así que a veces eso solía ser una especie de malentendido sobre la banda estrecha. Necesito una antena con tecnología de Internet de las cosas de banda estrecha que se ajuste a las curvas LTE regulares, dentro de las curvas LTE irregulares. E incluso si el servicio en sí, la banda estrecha, se ejecuta con una especie de ancho de banda de 200 kilovatios, no significa que sea una antena de banda estrecha. Por lo tanto, la antena para IOT de banda estrecha es básicamente una antena LTE y la implementación de la antena LTE que comúnmente requiere antenas de banda derecha como de 670 megavatios a 2,2 o 2,7 gigahercios o una banda muy ligera. 

Christian Koehler (22:43): 

En general, se requieren mucha experiencia y competencia para integrarlos muy bien. Y este es solo un punto que me gustaría mencionar: la Internet de las cosas de banda estrecha suena fácil, tal vez sea fácil, pero la implementación de la antena a menudo requiere un enfoque mucho más cuidadoso en comparación con las antenas de una sola banda o los servicios de Viola como LoRa, que es de 868, 915 MHz o 6 para Bluetooth, 2,4 GHz o wifi más o menos, así que todo esto es relativamente fácil en comparación con la implementación de una antena celular de Internet de las cosas de banda estrecha. A modo de cierre, diría que la antena es un conector muy importante. 

Christian Koehler (23:27): 

Somos una empresa conectada, ¿verdad? Y para mí, la antena es el conector más importante de los dispositivos inalámbricos. Es un componente crítico, y es bueno tener socios no solo con el equipo disponible, sino también con la competencia para integrar antenas y sintonizarlas básicamente para hacer una integración exitosa de una antena incorporada en dispositivos inalámbricos. Depende de la comprensión de que toda la parte del dispositivo es parte de la antena. Muy probablemente. Este es el caso. Por lo tanto, en mi opinión, la antena no se puede agregar al final del ciclo de diseño. Debe diseñarse al comienzo del ciclo, y lo que a veces nos damos cuenta es que solucionamos problemas de antena en el laboratorio de certificación, y eso lleva mucho tiempo y es muy costoso. 

Christian Koehler (24:11): 

En este aspecto, es donde TE Connectivity es tan conocido: su enfoque profesional para generar soluciones de antenas externas, incorporadas y de alto rendimiento. Me atrevería a decir que una antena es más bien la solución, en vez de un mero componente. Aborda las necesidades del tráfico inalámbrico en crecimiento exponencial, y los ingenieros de TE han estado desarrollando soluciones de antena para algunas de las aplicaciones más desafiantes durante los últimos 20 años, diría yo. Nos pondría muy contentos asociarnos con nuestros clientes y hacer que el desarrollo de una antena sea muy fácil y simple, incluso si es altamente complejo. ¡Feliz conexión inalámbrica! 

Tyler Kern (24:54): 

Excelente. Christian Koehler, gerente de Gestión de productos para Soluciones de RF en TE Connectivity. Christian, muchas gracias por acompañarnos hoy y sumergirnos en los desafíos del mundo superconectado para Internet de las cosas y conectividad inalámbrica, y por hablarnos de antenas y mucho más. Apreciamos el tiempo que nos dedicaste. 

Christian Koehler (25:11): 

Ha sido un gran placer, Tyler. Muchas gracias. 

Tyler Kern (25:15): 

Gracias. Muchas gracias. Y gracias a todos nuestros oyentes por acompañarnos en este episodio del programa. Lo apreciamos mucho. Por supuesto, tenemos episodios anteriores. Se pueden volver a escuchar, así como los futuros episodios. Para tener acceso, es necesario estar suscrito a los podcasts de Apple o Spotify. Volveremos pronto con esos nuevos episodios. Hoy fui su anfitrión. Tyler Kern. Gracias por escucharnos.