Conectividad ahora y más allá; Explorando conexiones Cat-M1, NB IoT y LPWAN

Si conecta dispositivos (sensores, actuadores, balizas o gateway ) a Internet, está creando una solución de Internet de las cosas. Aunque este no es un concepto nuevo, la expansión del acceso a Internet, principalmente a la nube, combinada con menores costos de hardware y conectividad, hace que IoT , también conocidas como IoT , estén más disponibles que nunca. El valor agregado que estas soluciones aportan al trabajo y a 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 las aplicaciones. En este artículo, exploraremos tecnologías que llevan datos a Internet.

Los dispositivos se conectan a Internet de dos formas: por cable o inalámbrica . Ethernet , comúnmente utilizado en entornos industriales, fue la solución cableada elegida durante décadas para recopilar datos en todo tipo de aplicaciones de monitoreo. Luego, en la década de 1990, se produjo un gran avance con la entrega de tecnologías WiFi y de radio ZigBee y Bluetooth , que dejaron atrás los cables y desbloquearon nuevas formas de recopilación de datos para que las industrias las adoptaran. En línea con los avances de WiFi, también lo fueron los avances en las infraestructuras de comunicación celular como 2G , 3G y luego 4G (próximamente – 5G), que ofrecen una combinación de velocidades y cobertura más altas. Por muy buenos y confiables que sean estos tipos de conectividad, todos tienen el principal problema 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 encontrar lo que creían que sería la solución perfecta para IoT . El resultado de esta carrera de transmisión de datos se conoce ahora como LPWAN ( red de área amplia de baja potencia ). Diseñados específicamente para permitir comunicaciones de largo alcance de hasta 10 a 40 km en zonas rurales y de 1 a 5 km en zonas urbanas, los dispositivos LPWAN suelen tener una duración de batería de más de 4 años gracias a una 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 desarrollaron junto con los avances en la conectividad) y una mayor variedad para servir. Aplicaciones rurales para empresas, organizaciones de seguridad e investigadores. Con LPWAN, el hardware puede estar donde la gente no puede.

En 2009, Sigfox entró en escena para ofrecer una conexión LPWAN como organización privada y no podía ser ignorada por la competencia de redes celulares. Después de algunos años de desarrollo privado, los operadores de telefonía celular 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 patentadas desplegadas de forma privada ubicadas en diferentes regiones del mundo que pueden recibir mensajes (datos sin procesar) de dispositivos a través de una frecuencia de radio. 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 backend de Sigfox, los usuarios pueden administrar 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 están muy limitadas: los mensajes de enlace ascendente están limitados a 140 mensajes y los mensajes de enlace descendente están limitados 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 de energía para aplicaciones de campo IoT y perfecta para AgTech 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 largas distancias (cuando hay cobertura en el área).

Las características clave de Sigfox incluyen

• QoS alta: un dispositivo no está conectado a una estación base específica. Sus mensajes difundidos son recibidos por cualquier estación base en el rango, que es de 3 en promedio, y no hay necesidad de confirmación de mensaje. La diversidad espacial junto con la diversidad de tiempo y frecuencia de las repeticiones de tramas de radio conducen a una alta calidad de servicio de la red Sigfox.
• Alta resiliencia a las interferencias: de UNB junto con una diversidad espacial de las estaciones base ofrecen grandes capacidades anti-interferencias. UNB es extremadamente robusto en un entorno con señales de espectro extendido. UNB es la mejor opción para operar en la banda pública ISM.
• Muy largo alcance: la baja velocidad de bits y la modulación de radio simple permiten un enlace de 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 nivel de emisión de baja potencia y una duración de emisión corta (menos de un minuto por día) permite la máxima autonomía a los dispositivos.
• Alta capacidad de red: el tamaño reducido de UNB permite más señales simultáneas dentro de la banda operativa; además, el protocolo Sigfox reduce el tamaño de las tramas de radio. Esas dos características combinadas con el uso de tecnología de radio cognitiva permiten que la red Sigfox alcance una alta capacidad. (Fuente: sigfox.com )

Paralelamente a los avances de Sigfox, también se desarrolló Long range LoRa, también una tecnología LPWAN, especifica una capa física que modula la señal utilizando una técnica patentada 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 radiofrecuencia. La chirp de espectro ensanchado (CSS) propaga una señal de banda estrecha en un ancho de banda de canal más amplio, proporcionando comunicación bidireccional. LoRa utiliza seis factores de dispersión donde los mensajes son transmitidos y recibidos simultáneamente por estaciones base LoRa con un tamaño máximo por mensaje de 246 bytes.

A medida que Sigfox y LoRA crecieron, era necesario contenerlos para que las personas, las empresas y los 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 comunicarse y administrar hardware (nodos y gateway ) en ubicaciones remotas. Los nodos son dispositivos finales que envían y reciben datos hacia/desde la gateway que administra 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 los costos de tres maneras: inversión en infraestructura, gastos operativos y sensores de nodo final.
• Estandarizado: Adopción de velocidad de interoperabilidad global mejorada e 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: la estación base única proporciona una penetración profunda en regiones urbanas/interiores densas. En teoría, en las zonas rurales, el alcance es de hasta 30 millas. En Ubidots hemos probado radios LoRa en áreas urbanas y hemos logrado distancias de hasta 1 milla con antenas básicas de 900 MHz .
• Seguro: cifrado AES128 integrado de extremo a extremo
• Alta capacidad: admite millones de mensajes por estación base, ideal para operadores de redes públicas que prestan servicios a muchos clientes

Más recientemente, la competencia entre los proveedores de telefonía celular 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. Comenzando con Cat-M o LTE Cat-M1 de Verizon, una conectividad de área amplia de bajo consumo (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 de mensaje máximo de 1500 bytes en una comunicación de datos bidireccional. A estas velocidades, LTE Cat-M1 ofrece actualizaciones remotas de firmware por aire (FOTA) en plazos razonables, mejorando el mantenimiento y el soporte de hardware implementado en áreas rurales. Debido a que Cat-M1 fue diseñado teniendo en mente 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 de enfoque para fortalecer la batalla de los celulares contra la tecnología LoRa.

Como muchos lanzamientos realizados por proveedores de telefonía celular competidores, T-Mobile pronto siguió el lanzamiento de Verizon con su propio NB- IoT , que permite una amplia gama de 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 ~50 kb/s de velocidad de carga y descarga en modo semidúplex. Además, conecta dispositivos de manera eficiente 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 que LoRa y el móvil estándar tendrán dificultades.

Comparando NB- IoT con LTE Cat M1, ambos toman y manejan datos entre torres celulares, similar a LTE de alta velocidad. La principal diferencia entre estos tipos de conexión es cómo se comunican los datos de los dispositivos móviles a Internet cuando están en movimiento. Si un dispositivo se mueve desde el punto A hasta un punto lejano B, cruzando varias celdas de redes diferentes, el dispositivo Cat M1 nunca interrumpiría la conexión porque se comporta igual que 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 en su lugar tienen que restablecer una nueva conexión a una nueva torre celular cada vez que se pierde una torre y se detecta una nueva torre.

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

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

• En de Smart Farming , las tecnologías LPWAN se destacan por su largo alcance y su capacidad de duración de la batería. Sin embargo, LoRa puede ser la mejor opción en los casos en que no haya cobertura Sigfox.
• En el de la Fabricación y la Automatización :
• Para el monitoreo 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 tanques, tuberías y/o turbinas remotas, NB- IoT es una opción adecuada porque promete una mayor confiabilidad y regularidad para 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 los casos en que el activo cambiará su ubicación (es decir, seguimiento de semirremolques o camiones cisterna).
• En de edificios inteligentes , donde se pueden utilizar diferentes variables como temperatura, humedad, flujo de agua, consumo eléctrico, etc. para alertar a la administración de la propiedad sobre medidas preventivas para maquinaria o sistemas críticos. Sigfox es una gran opción porque le ahorra el costo 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 los pisos de los sótanos o en el centro de los edificios. Si, después de ejecutar una prueba de señal de Sigfox no puedes obtener cobertura, entonces LoRa será el caballero de la brillante armadura para resolver 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 se encuentra su dispositivo y en el tamaño de su carga útil de datos. Para un dispositivo de bajo costo con capacidades de largo alcance y cargas útiles más pequeñas, recomendamos una solución LoRa o Sigfox (si Sigfox está implementado en su área). Y, a medida que las redes NB- IoT y Cat-M1 continúen implementándose en las áreas de servicio, su atractivo y servicios seguirán mejorando, haciendo que estas opciones sean igualmente valiosas que sus predecesoras como 2G y 3G, pero con menor costo y mayor eficiencia energética. . Por último, para aplicaciones que requieren altas velocidades de datos o utilizan hardware que consume mucha energía, la solución probada y verdadera WiFi o Ethernet por cable sigue siendo la más adecuada.

Para continuar aprendiendo formas de comunicar sus datos con Internet, únase al boletín Ubidots y consulte el Blog Ubidots , que se actualiza periódicamente con excelentes IoT para ayudarlo a conectar los dots al Internet de las cosas.