Conectividad ahora y más allá; exploración de las conexiones Cat-M1, NB-IoT y LPWAN

Si está conectando dispositivos (sensores, actuadores, balizas o gateways) a Internet, está construyendo una solución de Internet de las Cosas. Aunque no se trata de un concepto nuevo, la ampliación del acceso a internet, principalmente a la nube, junto con la reducción de los costes de hardware y conectividad, hacen que las soluciones IoT -también conocidas como aplicaciones IoT- estén más disponibles que nunca. El valor añadido que aportan estas soluciones a la vida y el trabajo cotidianos comienza con la forma en que un sensor o gateway se conecta a Internet. Elegir la mejor conectividad para una Solución IoT es primordial para el éxito de una Aplicación. En este artículo, exploraremos las tecnologías que llevan los datos a Internet.

Los dispositivos se conectan a Internet de dos formas: por cable o inalámbricamente. Se utiliza habitualmente en entornos industriales, Ethernet fue la solución cableada elegida durante décadas para recopilar datos en todo tipo de aplicaciones de monitorización. Después, en los años 90, se produjo un gran avance con la llegada de WiFi y Radio como ZigBee y Bluetoothdejando atrás los cables y abriendo nuevas formas de recopilación de datos para las industrias. En consonancia con los avances de WiFi, también se produjeron avances en las infraestructuras de comunicación celular como 2G, 3G, y luego 4G (próximamente 5G), que ofrecen la combinación de mayores velocidades y cobertura. Por muy buenos y fiables que sean estos tipos de conectividad, todos tienen el gran inconveniente de los excesivos requisitos energéticos para transmitir datos a Internet.

En busca de una solución mejor, empresarios y líderes del sector se lanzaron a la carrera hacia lo que creían que se convertiría en la solución perfecta para las aplicaciones IoT. El resultado de esta carrera por la transmisión de datos se conoce ahora como LPWAN (red de área extensa 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 autonomía de más de 4 años gracias a la codificación de ahorro de energía denominada modo de reposo. Algunas de las externalidades inmediatas de la LPWAN son el inmenso ahorro de costes (gracias a la ausencia de cables), la simplificación del desarrollo de aplicaciones y de los costes operativos (en parte, gracias al avance de las redes descentralizadas que se desarrolló a la par que los avances en conectividad) y un mayor alcance para servir a aplicaciones rurales de empresas, organizaciones de seguridad e investigadores. Con LPWAN, el hardware puede estar donde las personas no pueden.

En 2009, Sigfox apareció en escena para ofrecer una conexión LPWAN como organización privada y no pudo ser ignorada por la competencia de las redes celulares. Tras unos años de desarrollo privado, las operadoras de telefonía móvil como Verizon y T-Mobile empezaron a desplegar sus propias soluciones, LTE Cat-M y NB-IoT respectivamente, para opciones de conectividad de dispositivos IoT de bajo consumo.

Sigfox es un operador de red LPWAN que ofrece cobertura de conectividad IoT de dispositivo a nube en 45 países y regiones. La red Sigfox consta de estaciones base propias desplegadas de forma privada en diferentes regiones del mundo que pueden recibir mensajes (datos sin procesar) de dispositivos a través de radiofrecuencia. La red Sigfox conecta los dispositivos de campo a un servidor en la nube utilizando 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 Sigfox, los usuarios pueden gestionar los datos recibidos con diferentes plataformas de habilitación IoT utilizando callbacks HTTP o Sigfox API. Sigfox soporta la comunicación bidireccional, pero está severamente limitado en las capacidades de comunicación diarias: los mensajes de enlace ascendente están limitados a 140 mensajes y los mensajes de enlace descendente limitados a 4 mensajes para el mayor tamaño de suscripción. 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 IoT de campo y perfecta para AgTech y Remote Condition Monitoring. Sigfox es una buena opción para hardware IoT de bajo coste y bajo consumo energético para enviar datos a larga distancia (cuando hay cobertura en la zona).

Las principales características de Sigfox son

• QoS alta: Un dispositivo no está vinculado a una estación base concreta. Sus mensajes emitidos son recibidos por cualquier estación base en el rango, que es de 3 en promedio, y no hay necesidad de acuse de recibo de mensajes. La diversidad espacial unida a la diversidad de tiempo y frecuencia de las repeticiones de tramas de radio conducen a una alta calidad de servicio de la red Sigfox.
• Gran resistencia a las interferencias: la robustez intrínseca deUNB, unida a la diversidad espacial de las estaciones base, ofrece una gran capacidad anti-interferencias. UNB es extremadamente robusto en un entorno con señales de espectro ensanchado. UNB es la mejor opción para operar en la banda pública ISM.
• Muy largo alcance: La baja tasa de bits y la sencilla modulación radioeléctrica 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 energía y una corta duración de emisión (menos de un minuto al día) permite la máxima autonomía a los dispositivos.
• Alta capacidad de red: La pequeña huella de UNB permite más 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 a la red Sigfox alcanzar una gran capacidad. (Fuente: sigfox.com)

Paralelamente a los avances de Sigfox, también se desarrolló el protocolo LoRa(largo alcance). LoRa, también una tecnología LPWAN, especifica una capa física que modula la señal utilizando una técnica propia de espectro ensanchado. LoRa utiliza bandas ISM sin licencia, lo que permite a los clientes crear una red abierta, sin necesidad de autorización de los reguladores de radiofrecuencias. La modulación de espectro ensanchado chirp (CSS) propaga una señal de banda estrecha por un ancho de banda de canal más amplio, proporcionando una comunicación bidireccional. LoRa utiliza seis factores de propagación en los que los mensajes son transmitidos y recibidos simultáneamente por las estaciones base LoRa con un tamaño máximo por mensaje de 246 bytes.

A medida que Sigfox y LoRA crecían era necesario contenerlos para que particulares, empresas y gobiernos pudieran confiar en un tipo de conexión estandarizada y controlada. Para lograrlo, en 2015 la entonces creada LoRa-Alliance estandarizó un protocolo de comunicación basado en LoRa . Este protocolo LoRa estandarizado se conoció como LoRaWAN y es un protocolo de red que utiliza la tecnología LoRa para comunicar y gestionar hardware (nodos y gateways) en ubicaciones remotas. Los nodos son dispositivos finales que envían y reciben datos a/desde gateway , que gestiona y envía mensajes a un servidor de red LoRaWAN preconfigurado en gateway.

Las principales características de los protocolos LoRa y LoRaWAN incluyen

• Bajo coste: Reduce los costes de tres formas: inversión en infraestructura, gastos de funcionamiento y sensores de los nodos finales.
• Estandarización: La mejora de la interoperabilidad global acelera la adopción y el despliegue de redes basadas en LoRaWAN y aplicaciones IoT.
• Bajo consumo: Protocolo diseñado específicamente para un bajo consumo de energía que prolonga la vida útil de la batería hasta 20 años.
• Largo alcance: Una sola estación base proporciona una penetración profunda en regiones urbanas/interiores densas. En teoría, en zonas rurales, el alcance es de hasta 30 millas. En Ubidots hemos probado radios LoRa en zonas urbanas y hemos conseguido distancias de hasta 1 milla con antenas básicas de 900 MHz.
• Seguro: Cifrado AES128 de extremo a extremo integrado.
• Gran 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 de telefonía móvil y las soluciones LoRa llegó a un punto crítico con los lanzamientos del servicio Cat-M1 de Verizon y la red Narrowband IoT (NB-IoT) de T-Mobile. Empezando por Cat-M o LTE Cat-M1 de Verizon, 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 remotas de firmware over-the-air (FOTA) en plazos razonables, lo que mejora el mantenimiento y el soporte de hardware desplegado en zonas rurales. Dado que Cat-M1 se diseñó pensando en la eficiencia del IoT, los requisitos de hardware en cuanto a velocidad de datos, alcance, latencia y velocidad de carga y descarga se han convertido en los puntos centrales para reforzar la batalla de la telefonía móvil con la tecnología LoRa.

Al igual que muchos lanzamientos realizados por proveedores de telefonía móvil de la competencia, T-Mobile no tardó en seguir el lanzamiento de Verizon con el suyo propio, denominado NB-IoT, que permite una amplia gama de dispositivos y servicios IoT utilizando torres de telecomunicaciones celulares, coexistiendo con GSM y LTE en las bandas de frecuencia autorizadas. NB-IoT ofrece un requisito de velocidad de datos de ~50kb/s de carga y descarga en modo semidúplex. Además, conecta dispositivos eficientemente en redes móviles ya establecidas, puede manejar un tamaño máximo de mensaje de 1600 bytes en comunicación de datos bidireccional, mejora los requisitos de consumo de energía de los dispositivos finales y proporciona un excelente alcance extendido en edificios o bajo tierra, cosas con las que LoRa y la telefonía celular estándar tendrán dificultades.

Comparando NB-IoT con LTE Cat M1, ambos toman y manejan datos entre torres celulares, de forma similar a LTE de alta velocidad. La principal diferencia entre estos tipos de conexión es cómo se comunican a Internet los datos de los dispositivos en movimiento. Si un dispositivo se desplaza desde un punto A hasta un punto B lejano, cruzando varias celdas de redes diferentes, el dispositivo Cat M1 nunca interrumpiría la conexión porque se comporta igual que un teléfono móvil, conectándose de torre en torre a medida que se desplaza. Los dispositivos NB-IoT, en cambio, no transfieren la conexión y tienen que restablecer una nueva conexión con una nueva torre celular cada vez que se pierde una torre y se detecta una nueva.

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

Basándose en este diagrama, las diferencias técnicas y la idoneidad para distintos tipos de aplicaciones pueden optimizarse con la conectividad correcta. Por ejemplo:

• En las aplicaciones Smart Farming, las tecnologías LPWAN destacan por sus capacidades de largo alcance y duración de la batería. Sin embargo, LoRa puede ser la mejor opción en los casos en los que no haya cobertura Sigfox.
• En el mundo de la fabricación y la automatización:
• Para la supervisión de maquinaria en tiempo real, las viejas conexiones 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 depósitos, tuberías o turbinas remotas, NB-IoT es una opción adecuada porque promete una mayor fiabilidad y regularidad en la transmisión de datos en comparación con Sigfox.
• Las aplicaciones como el seguimiento de activos o la supervisión del estado son ideales para Sigfox, si se dispone de cobertura, o LTE Cat-M en los casos en que el activo cambie de ubicación (por ejemplo, seguimiento de semirremolques o camiones cisterna).
• En aplicaciones Smart Building, donde diferentes variables como temperatura, humedad, caudal de agua, consumo eléctrico, etc... pueden ser utilizadas para alertar a la administración de la propiedad de medidas preventivas para maquinaria o sistemas críticos. Sigfox es una gran opción porque le ahorra el coste y el esfuerzo de instalar y mantener un gateway por edificio, sin embargo, tenga cuidado con la penetración de la señal ya que puede ser pobre en plantas sótanos o en el centro de los edificios. Si tras realizar una prueba de señal Sigfox no consigue cobertura, entonces LoRa será el caballero de brillante armadura que resuelva los problemas de penetración.

En conclusión, el tipo de conectividad ideal para su solución/aplicación conectada a Internet se basa mejor en el entorno en el que vive su dispositivo y en lo grande que será su carga útil de datos. Para un dispositivo de bajo coste con capacidades de largo alcance y cargas útiles más pequeñas, recomendamos una solución LoRa o Sigfox (si Sigfox está desplegado en su zona). Y, a medida que las redes NB-IoT y Cat-M1 continúen desplegándose en las áreas de servicio, su atractivo y sus servicios seguirán mejorando, haciendo que estas opciones sean igual de valiosas que sus predecesoras como 2G y 3G, pero con un menor coste y una mayor eficiencia energética. Por último, para las aplicaciones que requieren altas velocidades de transmisión de datos o utilizan hardware que consume mucha energía, la probada y verdadera solución WiFi o cableada de Ethernet siguen siendo las más adecuadas.

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