Por Tarun Chawla, Remcom
En el diseño y desarrollo de dispositivos inalámbricos para aplicaciones que se llevan sobre el cuerpo, es necesario abordar varios retos técnicos para garantizar una propagación fiable de las radiofrecuencias sobre el cuerpo. Entre los factores clave se incluyen los materiales utilizados en el dispositivo, que pueden influir en la interferencia de la señal, así como el peso, la comodidad, el coste y la compatibilidad con otros componentes del sistema. Además, el propio cuerpo humano actúa como una parte compleja y dinámica de la estructura de la antena. A menudo se utilizan métodos tradicionales, como las pruebas de prototipos físicos y la ingeniería de RF humana, para evaluar el rendimiento de las antenas, pero pueden requerir múltiples iteraciones y es posible que no capten todas las complejidades del mundo real. Las simulaciones de propagación de RF permiten a los ingenieros probar numerosos casos de uso del mundo real en mucho menos tiempo y a un coste menor que las pruebas in situ por sí solas. Además, las simulaciones proporcionan una potente ayuda visual y ofrecen información valiosa para mejorar el rendimiento y el diseño de los dispositivos inalámbricos que se llevan sobre el cuerpo.
Gemelos digitales de pruebas y mediciones de RF: retos y oportunidades
La ingeniería física humana que exige actualmente la FDA tiene su origen en la prevención de posibles riesgos de radiación derivados de los dispositivos. Es fundamental mantenerse por debajo de los umbrales de radiación definidos internacionalmente para la tasa de absorción específica (SAR). La SAR puede reducirse disminuyendo la potencia del sistema, pero esto aumenta la probabilidad de pérdida de señales.
Sin embargo, las regulaciones relacionadas con la simulación no han seguido el ritmo de los avances tecnológicos y técnicos, ni han evolucionado para adaptarse a las necesidades del mercado de consumo. Las pruebas físicas de gran volumen suelen estar al alcance solo de empresas con recursos, cuyos productos de alta gama están diseñados para ser estéticamente atractivos y funcionar a la perfección, con un servicio de atención al cliente especializado disponible las 24 horas del día, los 7 días de la semana. La experiencia del usuario es el eje central del diseño y determina un precio elevado.
A medida que aumenta la asequibilidad de los productos, un cambio clave que acompaña a la reducción de costes es la posible reducción de la funcionalidad, que suele ser el resultado de una menor complejidad del sistema. Por ejemplo, el usuario de un dispositivo puede localizar su teléfono o su coche perdidos, ¿por qué no sus auriculares inalámbricos? Habilitar esa capacidad puede aumentar el peso o el coste del producto o cambiar la forma del dispositivo a expensas de la experiencia del usuario.
La implementación de fases de diseño sin prototipos mediante el uso de simulaciones puede acelerar el desarrollo de productos de alta funcionalidad, hacerlo más accesible y reducir su coste.
Los ciclos de vida de ingeniería simbiótica entre ingenieros mecánicos, de radiofrecuencia y de hardware conducen a un diseño de producto exitoso.
El diseño inicial (ID del producto, centro) está controlado por ingenieros industriales. Los ingenieros mecánicos añaden restricciones para que el diseño sea viable: su aspecto y tacto físico, por ejemplo. A continuación, los ingenieros de PCB crean las especificaciones del dispositivo, como la velocidad de la CPU y la RAM. Para los ingenieros de antenas, los cambios generacionales entre dispositivos consisten principalmente en habilitar y admitir un mayor número de bandas de frecuencia. Esto introduce una serie de problemas que dependen de la frecuencia, su ancho de banda y el caso de uso.
Por lo tanto, los diseños deben validarse y probarse en multitud de escenarios y frecuencias para superar los retos inherentes a la propagación de RF, incluyendo EMI, desensibilización, pérdidas de acoplamiento, redes de adaptación de sintonización y cambios en el patrón de ganancia. Si esta sinergia interdisciplinar no funciona de forma armoniosa, no se puede desarrollar un producto de consumo. Una vez que el equipo de RF del producto tiene listo un diseño aprobado, el equipo de verificación se encarga de verificar la viabilidad comercial —de hecho, la eficacia— del uso del producto en la vida real.
Para optimizar este proceso, el equipo de RF del producto y el equipo de verificación deben colaborar estrechamente. En la industria de la electrónica de consumo, incluidas las empresas de productos celulares y portátiles, estos grupos han estado aislados en el pasado porque el número de bandas de frecuencia y dispositivos en uso era muy bajo. Ahora, la complejidad técnica es enorme, hay que realizar numerosas pruebas y el número de iteraciones de dispositivos que hay que examinar es considerable, por lo que es fundamental fomentar el entendimiento entre los equipos. Facilitada por la simulación EM, esta diplomacia también puede ayudar a identificar casos de uso avanzados que requieren simulaciones adicionales y/o pruebas físicas, desde aplicaciones novedosas hasta nuevas generaciones de dispositivos inalámbricos.
Cómo funciona la simulación en el cuerpo
La simulación puede representar un proceso sin necesidad de prototipos. El diseño industrial en fase inicial no necesita demostrarse en hardware. Por ejemplo, los auriculares rudimentarios pueden tener forma de cilindro simple: adecuado para proporcionar una prueba de concepto de características de diseño como la ubicación de la antena, pero sin posibilidad de que el diseño se mantenga intacto durante la producción.
Fabricado como prototipo, este auricular podría representarse como P0; es posible que ni siquiera se encienda. Tras los ajustes realizados por diversas partes interesadas —quizás la estructura y la forma de la carcasa evolucionen, lo que genere un efecto de goteo que afecte a los ingenieros de PCB y antenas—, surge el siguiente prototipo, P1. Aunque P1 es muy diferente de P0, sigue sin ser fabricable. La mayoría de los proyectos avanzan a través de múltiples iteraciones de esta manera, con un rápido aumento de los costes a medida que se fabrican y prueban los prototipos.
Sin embargo, la capacidad de los ingenieros inalámbricos para realizar modelos electromagnéticos (EM) eficaces, así como para medir la pérdida de trayectoria y la propagación multitrayectoria de los sistemas, se ha visto desafiada por escenarios de uso cada vez más complejos y variados. En consecuencia, las mediciones de prueba que utilizan prototipos y áreas de ensayo físicas (por ejemplo, cámaras antieco) se están volviendo más lentas, tediosas y costosas. Afortunadamente, las técnicas EM 3D de onda completa y basadas en rayos han demostrado ser precisas y escalables utilizando un «gemelo EM» en lugar de un prototipo físico, y todos los datos generados por los prototipos de pruebas en cámara ahora se pueden demostrar mediante simulación.
Consideremos un escenario de prueba que incluye un par de auriculares, un reloj inteligente y un teléfono móvil en el bolsillo trasero del usuario, todos ellos funcionando con una conexión Bluetooth de 2,46 GHz. El teléfono, que contiene la batería más grande, es la fuente de la señal Bluetooth. La antena de cada dispositivo tiene un puerto, por lo que los auriculares, el reloj y el teléfono se combinan para formar una matriz de parámetros S de cuatro puertos.
En este ejemplo, el teléfono reproduce música y envía una señal a través de ondas superficiales (que se atenúan con la profundidad) hacia el cuerpo y al entorno. La simulación EM modela estas ondas, pero, hasta hace poco, solo podía hacerlo en un caso de uso en espacio libre. Se tuvieron en cuenta los efectos del cuerpo y del dispositivo, pero se excluyeron los efectos ambientales sobre la señal, como los del suelo, la habitación, el coche, etc.
En las pruebas en cámara, este efecto se captura utilizando un maniquí físico que representa todo el cuerpo humano. Es fundamental replicar este efecto en la simulación, ya que las características ambientales pueden utilizarse en beneficio del ingeniero de antenas. La energía se irradia hacia el exterior desde las antenas de cada dispositivo wearable, interactúa con las superficies y materiales cercanos o rebota en ellos, y luego vuelve a ser recibida por las antenas del dispositivo. El objetivo es mantener la señal constante y evitar que se pierda.
Remcom puede simular una amplia gama de casos de uso, incluyendo redes urbanas densas, interiores, no terrestres (NTN), enlaces laterales 5G UE y sensores, en un intervalo de tiempo que va desde unos pocos segundos hasta varias horas. Cuando se consideran materiales y entornos lineales, según el teorema de equivalencia de superficies, un sistema radiante puede representarse mediante un conjunto de densidades de corriente eléctrica y magnética superficiales en un cuboide que encierra completamente la estructura. Este cuboide se denomina superficie de Huygens o caja de Huygens, y puede utilizarse para capturar los efectos de campo cercano dentro de la caja, al tiempo que permite predecir cómo esos campos se propagan hacia el exterior en un entorno más amplio (o viceversa).
El concepto consiste en capturar la región de campo cercano, que se irradia desde las antenas del cuerpo, y transferirla a un cuerpo que los evaluadores pueden mover dentro de un entorno. Esto es necesario porque los ingenieros industriales y mecánicos suelen diseñar dispositivos móviles basándose en pruebas inalámbricas que utilizan un maniquí físico inmóvil; el equipo de verificación debe probar el dispositivo en escenarios y entornos reales, lo que significa representar y medir con precisión el impacto del usuario en movimiento.
Remcom incorpora los efectos de antena de campo cercano en las simulaciones del rendimiento de las antenas, de modo que la movilidad, las trayectorias múltiples y las interacciones con los dispositivos que se llevan puestos puedan analizarse en entornos realistas.
De cara al futuro, Remcom está trabajando para acortar al máximo los tiempos de ejecución de los escenarios de prueba dentro de las limitaciones de la tecnología existente. El objetivo es modelar la matriz de parámetros S para una multitud de configuraciones del cuerpo humano en diversas bandas de frecuencia mientras el cuerpo está en movimiento dentro de un entorno. En resumen, el objetivo es modelar la realidad, pero la tarea debe dividirse en partes más pequeñas: una frecuencia cada vez y una posición del cuerpo humano cada vez. A medida que los equipos de verificación comiencen a confiar más en la tecnología de simulación, mejorarán los tiempos de respuesta de la verificación y las sinergias de los productos.
El espacio, la última frontera...
Las misiones Artemis de la NASA, que proponen enviar astronautas de vuelta a la Luna —no antes de mediados de 2027, en el momento de escribir este artículo—, ofrecen un brillante ejemplo de las capacidades de la simulación. La NASA ha contratado a Remcom, Intuitive Machines, Nokia Bell Labs, Lunar Outpost y Axiom Space para diseñar las comunicaciones en la Luna y proporcionar a los astronautas una red inalámbrica de alta velocidad en la superficie lunar. Los equipos y dispositivos se integrarán en los trajes espaciales, los rovers y los centros orbitales y de superficie para facilitar las comunicaciones, la navegación y la cobertura continua crítica.
Al operar en un entorno tan singular, hay que tener en cuenta innumerables escenarios de uso y posibles retos. Por ejemplo, en términos de propagación en movimiento y sobre el cuerpo, las propiedades reflectantes de los trajes de los astronautas afectarán al rendimiento de radiofrecuencia de los dispositivos portátiles, y la profundidad y curvatura de los cráteres de la Luna afectarán al rendimiento de los enlaces de comunicaciones. En respuesta a ello, Remcom está creando una solución completa de modelado y simulación de extremo a extremo para explorar la simulación de canales lunares y analizar la cobertura.
Simulación inalámbrica InSite de cobertura y trayectos múltiples dentro de un cráter lunar.
Esta versión mejorada deWirelessInSite®incorporanuevos datos y algoritmos para optimizar la simulación de los materiales y el terreno de la superficie lunar. Mejora la capacidad de los usuarios para definir las propiedades físicas y eléctricas del regolito y el lecho rocoso, y les permite desarrollar mejoras en los modelos para la dispersión en la superficie y el subsuelo. También incluye herramientas de posprocesamiento para la simulación a nivel de enlace, de modo que los usuarios pueden determinar el impacto de fenómenos clave en escenarios lunares.
El Programa de Actividad Extravehicular y Movilidad Humana en Superficie de la NASAlleva a cabodiversas iniciativas para practicar eficazmente las caminatas espaciales, las operaciones de exploración y los escenarios de movilidad, completando demostraciones tecnológicas y actividades relacionadas con la ciencia en Arizona y Nevada. Durante estas pruebas, los astronautas llevan trajes espaciales prototipo equipados con antenas diseñadas para evaluar el impacto de los cráteres en las señales de comunicación y los enlaces de datos en Flagstaff, Arizona. Los datos recopilados en estas pruebas servirán de base para el desarrollo de modelos mejorados de conectividad inalámbrica, combinados con las predicciones de Remcom para el polo sur de la Luna, una zona con un terreno análogo que presenta retos similares a la hora de establecer una infraestructura inalámbrica fiable.
Las simulaciones de misiones Apollo anteriores, junto con los datos disponibles de varios canales de banda S, ofrecen información valiosa para predecir y optimizar el rendimiento con el fin de minimizar las interferencias en la gestión del espectro. Un ejemplo es la evaluación de la cobertura de las estaciones base inalámbricas, como los sistemas 4G y Wi-Fi, para satisfacer las necesidades de comunicación de las cámaras corporales de los astronautas que transmiten en directo por Internet. Otro escenario crítico consiste en garantizar enlaces de comunicación seguros para proteger la información crítica de la misión contra la interceptación. Para alcanzar estos objetivos será necesario contar con estrategias integrales de planificación de redes y gestión del espectro, como las que están desarrollandoel Instituto de Ciencias de las Telecomunicaciones (ITS) de la NTIA, el SG3 de EE. UU. y el SG3 de la UIT-R. Remcom colabora activamente con la FCC, la NTIA y la NASA en los esfuerzos de modelización y normalización de la propagación lunar.
Gemelo digital RF de la misión Apolo 15: simulación Wireless InSite de la cobertura y las trayectorias múltiples desde una antena montada en el módulo lunar hasta una antena Huygens de campo cercano situada en el casco del astronauta. Resultado de la antena Huygens generado por el software de simulación EM 3D de onda completa XFdtd de Remcom. Crédito de la foto: Archivo del Proyecto Apolo, dominio público, a través de Wikimedia Commons.
La simulación de aplicaciones aeroespaciales y militares de misión crítica ha ayudado a informar y perfeccionar la capacidad de Remcom en este sentido. Por ejemplo, la empresa tiene actualmente un contrato con la Fuerza Aérea de los Estados Unidos para modelar el calentamiento térmico del cuerpo humano. Esto es aplicable a numerosos casos de uso, incluidas las radios que llevan los soldados: cuántas debe llevar cada soldado, su ubicación en el cuerpo y la distancia entre ellas para garantizar una conectividad y una longevidad óptimas, además de una interferencia mínima. Además, los casos de uso comercial, como la detección en el interior de los automóviles y la detección de la presencia de niños, así comola monitorización sanitaria,proporcionanejemplos de tecnologías de radiofrecuencia y radar que salvan vidas.
La simulación combina precisión y eficacia para los emuladores de canal.
Los modelos de cuerpo humano de alta resolución de Remcom, representados con una resolución de un milímetro, capturan las propiedades dieléctricas de diversos tejidos corporales, incluyendo la piel, la sangre y los huesos. Si bien este nivel de precisión es esencial para aplicaciones como los implantes y el diseño de bobinas de resonancia magnética, una representación más simple del modelo humano es suficiente para la electrónica de consumo y los dispositivos portátiles.
El rendimiento inalámbrico en entornos dinámicos y con trayectos múltiples, como zonas urbanas, espacios interiores densamente poblados o regiones con superficies reflectantes, plantea importantes retos para el diseño de antenas. El propio cuerpo humano crea interacciones de RF complejas, y la propagación multitrayecto puede provocar la degradación de la señal, interferencias y una mala experiencia para el usuario. Es fundamental que los ingenieros de antenas, sistemas inalámbricos por aire (OTA) y sistemas de RF optimicen la ubicación de las antenas, evalúen la necesidad de MIMO y predigan cómo se propagan las señales de RF e interactúan con el cuerpo en movimiento.
En el laboratorio de RF se utilizan sofisticados equipos de medición, como cámaras anecoicas, analizadores de redes vectoriales (VNA), antenas de prueba y generadores de señales. La integración de las respuestas impulsionales de canal simuladas (CIR) de Remcom Wireless InSite en emuladores de canal como Spirent Vertex y Keysight PropSim crea un potente ecosistema para correlacionar los resultados de la simulación con las mediciones OTA del mundo real. Esta técnica para evaluar entornos de radio se conoce como sondeo de canales, que consiste en transmitir señales de prueba conocidas y analizar la respuesta impulsiva de la señal recibida para caracterizar los reflejos, la dispersión del retardo y los efectos multitrayecto del canal. Este proceso de correlación permite a los ingenieros validar sus simulaciones con los resultados de las pruebas físicas, perfeccionando los modelos de canales inalámbricos para representar mejor las condiciones de propagación del mundo real que no se pueden replicar en el laboratorio. El modelo derivado puede ampliarse variando la distribución física de la sala, la configuración del mobiliario, la posición de las personas, etc., teniendo en cuenta numerosos criterios de rendimiento inalámbrico.
Una vez validados, estos modelos de canal correlacionados pueden utilizarse para generar modelos de línea de retardo de derivación (TDL) o línea de retardo de clúster (CDL) para cada tipo de hardware de emulador. En la capa PHY inalámbrica, estos modelos de línea de retardo ayudan a simular condiciones de propagación de señales realistas, que luego se utilizan para generar señales I/Q (en fase y en cuadratura) para simulaciones a nivel de sistema. A continuación, se pueden emplear algoritmos de IA/ML para optimizar el diseño y el rendimiento de los chipsets inalámbricos adaptando los parámetros del sistema, como los esquemas de modulación, las técnicas de corrección de errores y las estrategias de control de potencia, basándose en las condiciones del canal en tiempo real derivadas de los modelos validados. Esta integración de simulación a medición de extremo a extremo crea un gemelo digital para los sistemas de RF, lo que proporciona un flujo de trabajo detallado y optimizado que imita el proceso «chip-a-canal» en el desarrollo de dispositivos inalámbricos. En última instancia, este enfoque garantiza un desarrollo más eficiente y rentable, lo que permite obtener dispositivos inalámbricos de próxima generación fiables y de alto rendimiento.
Acerca del autor
Tarun Chawla es director de desarrollo empresarial en Remcom e ingeniero eléctrico con más de 16 años de experiencia en el desarrollo y soporte de soluciones de simulación para equipos de ingeniería innovadores de todo el mundo.
