Conectividad actual y futura: exploración de conexiones Cat-M1, NB-IoTy LPWAN

Si conecta dispositivos (sensores, actuadores, balizas o gateway ) a internet, está creando una solución de Internet de las Cosas (IoT). Si bien este no es un concepto nuevo, el creciente acceso a internet, principalmente a la nube, junto con la reducción de los costos de hardware y conectividad, IoT , también conocidas como IoT , estén más disponibles que nunca. El valor añadido que estas soluciones aportan al trabajo y la vida cotidiana comienza con la forma en que un sensor o gateway se conecta a internet. Elegir la mejor conectividad para una IoT es fundamental para el éxito de una aplicación. En este artículo, exploraremos las tecnologías que llevan datos a internet.

Los dispositivos se conectan a Internet de dos maneras: con cables o de forma inalámbrica . Comúnmente utilizada en entornos industriales, Ethernet fue la solución cableada preferida durante décadas para recopilar datos en todo tipo de aplicaciones de monitorización. Luego, en la década de 1990, se produjo un gran avance con la llegada de las WiFi y de radio como ZigBee y Bluetooth , que dejaron atrás los cables y abrieron las puertas a nuevas formas de recopilación de datos para que las industrias las adoptaran. En consonancia con los avances del WiFi, también se produjeron avances en las infraestructuras de comunicación celular como 2G , 3G y, posteriormente, 4G (próximamente, 5G), que ofrecen una combinación de mayor velocidad y cobertura. Por muy buenos y fiables que sean estos tipos de conectividad, todos presentan el principal inconveniente de los requisitos excesivos de energía para transmitir datos a Internet.

En busca de una mejor solución, los empresarios y líderes de la industria se apresuraron a lo que creían que se convertiría en la solución perfecta para IoT . El resultado de esta carrera de transmisión de datos ahora se conoce como LPWAN ( red de área amplia de baja potencia ). Diseñados específicamente para permitir comunicaciones de largo alcance de hasta 10-40 km en zonas rurales y 1-5 km en zonas urbanas, los dispositivos LPWAN suelen tener una vida útil de batería de más de 4 años gracias a la codificación de ahorro de energía llamada modo de suspensión . Algunas externalidades inmediatas de LPWAN incluyen inmensos ahorros de costos (gracias a la falta de cables), desarrollo de aplicaciones y costos operativos más simples (en parte, gracias al avance de las redes descentralizadas que se desarrolló en conjunto con los avances en conectividad) y un mayor alcance para servir aplicaciones rurales para empresas, organizaciones de seguridad e investigadores. Con LPWAN, el hardware puede estar donde las personas no pueden.

En 2009, Sigfox entró en escena para ofrecer una conexión LPWAN como organización privada y no pudo ser ignorada por la competencia de las redes celulares. Tras algunos años de desarrollo privado, operadores celulares como Verizon y T-Mobile comenzaron a implementar sus propias soluciones, LTE Cat-M y NB- IoT respectivamente, para IoT .

IoT de dispositivo a nube en 45 países y regiones. La red Sigfox consta de estaciones base propietarias desplegadas de forma privada y ubicadas en diferentes regiones del mundo, que pueden recibir mensajes (datos sin procesar) de dispositivos a través de radiofrecuencia. La red Sigfox conecta dispositivos de campo a clústeres de servidores en la nube back-end mediante una red basada en IP. Una vez que el mensaje se envía desde el dispositivo a la estación base y se recibe en el back-end de Sigfox, los usuarios pueden gestionar los datos recibidos con diferentes plataformas de habilitación IoT mediante devoluciones de llamada HTTP o la API de Sigfox. Sigfox admite la comunicación bidireccional, pero sus capacidades de comunicación diaria son muy limitadas: los mensajes de enlace ascendente están limitados a 140 mensajes y los de enlace descendente a 4 mensajes para el tamaño de suscripción más grande. Además, el tamaño máximo por mensaje de enlace ascendente es de 12 bytes (no demasiado grande).

Con estas limitaciones, Sigfox es sin duda una solución de bajo consumo para aplicaciones de campo de IoT , ideal para tecnología agrícola y monitoreo remoto de condiciones. Sigfox es una buena opción para hardware IoT de bajo costo y bajo consumo de energía para enviar datos a larga distancia (cuando hay cobertura en la zona).

Las características principales de Sigfox incluyen:

• Alta calidad de servicio (QoS): Un dispositivo no está conectado a una estación base específica. Sus mensajes transmitidos son recibidos por cualquier estación base dentro del rango (un promedio de 3), sin necesidad de confirmación de mensajes. La diversidad espacial, junto con la diversidad temporal y de frecuencia de las repeticiones de tramas de radio, garantiza una alta calidad de servicio en la red Sigfox.
• Alta resiliencia a interferencias: de UNB , sumada a la diversidad espacial de las estaciones base, ofrece una gran capacidad antiinterferencias. UNB es extremadamente robusto en un entorno con señales de espectro ensanchado. UNB es la mejor opción para operar en la banda ISM pública.
• Muy largo alcance: la baja tasa de bits y la modulación de radio simple permiten un enlace con un presupuesto de 163,3 dB para comunicaciones de largo alcance.
• Alta eficiencia energética: El protocolo de radio Sigfox reduce el tamaño de la trama de radio y no requiere sincronización con la red. La combinación de un bajo nivel de emisión de potencia y una corta duración de emisión (menos de un minuto al día) permite una máxima autonomía a los dispositivos.
• Alta capacidad de red: El reducido tamaño de UNB permite un mayor número de señales simultáneas dentro de la banda operativa. Además, el protocolo Sigfox reduce el tamaño de las tramas de radio. Estas dos características, combinadas con el uso de la tecnología de radio cognitiva, permiten que la red Sigfox alcance una alta capacidad. (Fuente: sigfox.com )

Paralelamente a los avances de Sigfox, se desarrolló largo alcance bandas ISM sin licencia , lo que permite a los clientes crear una red abierta sin necesidad de autorización de los reguladores de radiofrecuencia. La espectro ensanchado por chirp (CSS) propaga una señal de banda estrecha sobre un ancho de banda de canal más amplio, lo que proporciona comunicación bidireccional. LoRa utiliza seis factores de ensanchamiento, donde los mensajes se transmiten y reciben simultáneamente por las estaciones base LoRa, con un tamaño máximo por mensaje de 246 bytes.

A medida que Sigfox y LoRA crecieron, fue necesario contenerlos para que individuos, empresas y gobiernos pudieran contar con un tipo de conexión estandarizado y controlado. Para lograrlo, en 2015, la entonces creada LoRa-Alliance estandarizó un protocolo de comunicación basado en LoRa. Este protocolo LoRa estandarizado, conocido como LoRaWAN, es un protocolo de red que utiliza la tecnología LoRa para comunicar y gestionar hardware (nodos y gateway ) en ubicaciones remotas. Los nodos son dispositivos finales que envían y reciben datos hacia/desde la gateway , la cual gestiona y envía mensajes a un servidor de red LoRaWAN preconfigurado en la gateway .

Las características clave de los protocolos LoRa y LoRaWAN incluyen:

• Bajo costo: Reduce costos de tres maneras: inversión en infraestructura, gastos operativos y sensores de nodo final
• Estandarizado: La interoperabilidad global mejorada acelera la adopción y la implementación de redes basadas en LoRaWAN y aplicaciones IoT
• Bajo consumo: Protocolo diseñado específicamente para un bajo consumo de energía que extiende la vida útil de la batería hasta 20 años
• Largo alcance: Una sola estación base proporciona una gran penetración en zonas urbanas o interiores densamente pobladas. En teoría, en zonas rurales, el alcance es de hasta 48 km. En Ubidots hemos probado radios LoRa en zonas urbanas y hemos alcanzado distancias de hasta 1,6 km con antenas básicas de 900 MHz .
• Seguro: cifrado AES128 de extremo a extremo integrado
• Alta capacidad: admite millones de mensajes por estación base, ideal para operadores de redes públicas que atienden a muchos clientes

Más recientemente, la competencia entre los proveedores celulares y las soluciones LoRa llegó a un punto crítico con los lanzamientos del servicio Cat-M1 de Verizon y la red IoT de banda estrecha (NB-IoT) de T-Mobile. Comenzando con Cat-M de Verizon o LTE Cat-M1, una conectividad de área amplia de baja potencia (LPWA) optimizada para dispositivos IoT y M2M. Cat-M es ideal para soluciones con requisitos de velocidad de datos media: velocidades de carga y descarga de 375 kb/s en modo semidúplex con un tamaño máximo de mensaje de 1500 bytes en una comunicación de datos bidireccional. A estas velocidades, LTE Cat-M1 ofrece actualizaciones de firmware remotas por aire (FOTA) dentro de plazos razonables, lo que mejora el mantenimiento y el soporte de hardware para hardware implementado en áreas rurales. Debido a que Cat-M1 fue diseñado teniendo en cuenta la eficiencia IoT , los requisitos de hardware para la velocidad de datos, el alcance, la latencia y la velocidad de carga y descarga se han convertido en los puntos focales para fortalecer la batalla de la tecnología celular con la tecnología LoRa.

Al igual que muchos lanzamientos de operadores celulares de la competencia, T-Mobile pronto siguió el ejemplo de Verizon con su propia tecnología NB- IoT , que permite el uso de una amplia gama de IoT mediante torres de telecomunicaciones celulares, coexistiendo con GSM y LTE en las bandas de frecuencia autorizadas. NB- IoT ofrece una velocidad de datos de aproximadamente 50 kb/s de carga y descarga en modo semidúplex. Además, conecta dispositivos eficientemente en redes móviles ya establecidas, puede gestionar mensajes con un tamaño máximo de 1600 bytes en comunicación de datos bidireccional, reduce los requisitos de consumo de energía de los dispositivos finales y proporciona un excelente alcance extendido en edificios o subterráneos, características con las que LoRa y la tecnología celular estándar tienen dificultades.

Al comparar NB-IoT con LTE Cat M1, ambos toman y gestionan datos entre torres celulares, de forma similar a LTE de alta velocidad. La principal diferencia entre estos tipos de conexión radica en cómo se comunican los datos a internet los dispositivos móviles cuando están en movimiento. Si un dispositivo se mueve del punto A a un punto B lejano, cruzando varias celdas de red diferentes, el dispositivo Cat M1 nunca perderá la conexión, ya que se comporta como un teléfono celular, conectándose de torre a torre a medida que se mueve. Los dispositivos NB-IoT , por otro lado, no transfieren la conexión y deben restablecerla con una nueva torre celular cada vez que se pierde una y se detecta una nueva.

El siguiente diagrama compara las tecnologías LPWAN diseñadas para soluciones IoT .

Con base en este diagrama, se pueden optimizar las diferencias técnicas y la idoneidad para distintos tipos de aplicaciones mediante la conectividad correcta. Por ejemplo:

• En de agricultura inteligente , las tecnologías LPWAN destacan por su amplio alcance y la duración de la batería. Sin embargo, LoRa puede ser la mejor opción en casos donde no hay cobertura de Sigfox.
• En el mundo de la fabricación y la automatización
• Para la monitorización de maquinaria en tiempo real , las conexiones tradicionales como Ethernet o WiFi siguen siendo opciones ideales, al menos para las fábricas que ya ofrecen acceso a Internet. Sin embargo, para entornos industriales remotos, como tanques, tuberías o turbinas remotas, NB- IoT es una opción ideal, ya que promete mayor fiabilidad y regularidad en la transmisión de datos en comparación con Sigfox.
• Aplicaciones como el seguimiento de activos o el monitoreo de estado son ideales para Sigfox, donde hay cobertura disponible, o LTE Cat-M en casos donde el activo cambiará su ubicación (por ejemplo, seguimiento de camiones semirremolque o cisterna).
• En de edificios inteligentes , donde diferentes variables como temperatura, humedad, caudal de agua, consumo eléctrico, etc., pueden utilizarse para alertar a la administración de la propiedad sobre medidas preventivas para maquinaria o sistemas críticos. Sigfox es una excelente opción, ya que ahorra el coste y el esfuerzo de instalar y mantener una gateway por edificio. Sin embargo, tenga cuidado con la penetración de la señal, ya que puede ser deficiente en sótanos o en el centro de los edificios. Si, tras realizar una prueba de señal con Sigfox, no obtiene cobertura, LoRa será la solución definitiva para los problemas de penetración.

En conclusión, el tipo de conectividad ideal para su solución/aplicación conectada a Internet se basa en el entorno de su dispositivo y el tamaño de su carga útil de datos. Para un dispositivo económico con capacidades de largo alcance y cargas útiles más pequeñas, recomendamos una solución LoRa o Sigfox (si Sigfox está implementado en su área). A medida que las redes NB-IoT y Cat-M1 se implementan en las áreas de servicio, su atractivo y servicios seguirán mejorando, lo que las hace tan valiosas como sus predecesoras, como 2G y 3G, pero con un menor costo y una mayor eficiencia energética. Por último, para aplicaciones que requieren altas velocidades de datos o utilizan hardware que consume mucha energía, las soluciones WiFi o cableadas de Ethernet, de eficacia probada, siguen siendo las más adecuadas.

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