En el mundo de las comunicaciones, existe una clase de red orientada a la transmisión de datos a largas distancias, conocida como WAN (Wide Area Network).
De acuerdo con Amazon, una red WAN es aquella que se extiende más allá de un solo edificio y cubre una zona geográfica determinada. La red WAN más grande y conocida del mundo es Internet.
Es decir, las redes WAN permiten interconectar redes más pequeñas, como por ejemplo las LAN (Local Area Network) de nuestras casas y oficinas. Y con el auge del internet de las cosas (IoT), cada vez son más los dispositivos que requieren acceder a redes WAN para transmitir sus datos hacia Internet.
En dispositivos alimentados por baterías, como sensores para agricultura, monitoreo de bosques, rastreo de paquetes, entre otras, es necesario que la red inalámbrica de comunicaciones permita transmitir datos con muy bajos consumos de energía.
Sin embargo, las formas tradicionales de conectarse a Internet, como el Wifi de hogar y oficina, o la red celular, requieren de mucha energía y no suelen ser lo más adecuado cuando queremos que la batería de nuestros dispositivos IoT dure el mayor tiempo posible.
En este artículo presentamos las características de las redes LPWAN (Low Power Wide Area Network), o redes inalámbricas de área amplia y bajo consumo, que resultan ideales para el despliegue de aplicaciones de IoT basadas en nodos alimentados por baterías, o en las cuales el bajo consumo de energía sea un factor relevante de éxito.
Redes Lpwan, conceptos básicos
Las redes LPWAN se han popularizado en años recientes gracias al crecimiento de las aplicaciones de IoT. Permiten transmitir pequeñas cantidades de datos, a grandes distancias, con poco consumo de energía.
Sinelec describe de forma concisa las tres principales características de las redes LPWAN:
- Bajo consumo energético
- Amplia distancia entre los nodos y la antena de recepción
- Reducida capacidad de transmisión de datos
Estas características hacen que las redes LPWAN sean ideales para el IoT, ya que en la mayoría de aplicaciones de esta tecnología los dispositivos y sensores requieren transmitir poca cantidad de datos, incluso en intervalos de tiempo amplios (horas o días).
De acuerdo con Arrow, dado que en este tipo de redes puede haber una distancia grande entre los nodos y la puerta de enlace (Gateway), comparado con el uso de Wifi convencional, se presentan ventajas como:
- Una sola puerta de enlace puede atender a un solo edificio completo (o a varios)
- El bajo consumo de energía permite implementar pequeños sensores con autonomía de meses o años
- Se pueden conectar miles de dispositivos a una fracción del costo que requeriría Wifi
Por supuesto, las redes LPWAN no son la solución mágica para cualquier aplicación, y habrá casos en los cuales sea más conveniente usar la comunicación celular, Wifi o cable, sin embargo, son una herramienta clave que todo desarrollador de hardware debe conocer.
En la Figura 1 se presenta una comparación entre las tres tecnologías LPWAN más populares en la actualidad: Sigfox, LoRa y NB-IoT.
Figura 1. Comparativa de las principales redes LPWAN. Fuente. Tomado de Bismark
De acuerdo con las características del proyecto a desarrollar, podemos seleccionar la red LPWAN más adecuada.
Por ejemplo, si requerimos facilidad de despliegue y alta duración de batería, probablemente LoRa sea la ideal; pero si lo más importante es la escalabilidad y la transmisión de paquetes grandes de datos, NB-IoT será una mejor opción.
Redes de corto alcance como Wifi y Bluetooth, y redes LPWAN líderes en aplicaciones de IoT, utilizan la banda de frecuencias ISM
1. NB-IoT
Telefónica define a NB-IoT o NarrowBand-IoT, como una tecnología móvil de red diseñada para la comunicación de dispositivos de internet de las cosas, y en general dispositivos que transmiten pocos datos en intervalos grandes de tiempo.
NB-IoT fue desarrollada por 3GPP, lanzada en 2016, y tiene la capacidad de conectarse a las redes de telefonía móvil existentes, pero con un consumo de energía mucho menor y en bandas de frecuencia distintas, para evitar interferencia con la red celular.
Al integrarse con las redes móviles convencionales, NB-IoT tiene la capacidad de albergar más de 50.000 dispositivos por celda según indica MOKOSmart. Además, el diseño de soluciones con NB-IoT se considera de baja complejidad, debido a que los nodos se conectan a una infraestructura existente.
Entre sus principales características, el Instituto Nacional de Ciberseguridad de España resalta las siguientes:
- Baja potencia, que se traduce en bajo consumo de energía y larga duración de baterías
- Capacidad para dar conectividad a muchos dispositivos de forma simultánea
- Operatividad en zonas rurales y de baja cobertura
- Alta velocidad de comunicación (comparada con LoRa y Sigfox)
- Cifrado de red, que proporciona seguridad
- Capacidad de penetración en subterráneos y edificios
Sus principales desventajas son:
- Alta latencia, del orden de varios segundos según la cantidad de dispositivos conectados
- Baja cantidad de datos
- No soporta Handshake (cambio de antena cuando el nodo está en movimiento)
- Dificultad de implementar actualizaciones de firmware OTA (Over the Air)
Adicionalmente, se depende de un operador de telefonía móvil, quien define los precios por cada nodo y la conveniencia o no de la instalación de la red, lo que también puede ser una desventaja.
2. Sigfox
Sigfox es una tecnología LPWAN, diseñada para conectar de forma segura sensores y dispositivos en la banda ISM (industrial, científica y médica), 902 MHz en el caso de Colombia.
Entró al mercado en el 2010 y desde entonces ha sido licenciada por más de 70 proveedores de servicios IoT alrededor del mundo, que han logrado conectar más de 11 millones de dispositivos.
De forma similar a la red celular, la arquitectura de red Sigfox consta de dispositivos y estaciones base. Además, existe una plataforma en la nube para la configuración de redes y dispositivos, y conexiones con plataformas externas según la aplicación (Figura 2).
Figura 2. Arquitectura de la red Sigfox. Fuente. Tomado de Sigfox
Para acceder a la red, los desarrolladores de hardware pueden consultar con el operador local acerca de las tarifas y requerimientos mínimos para el despliegue de una aplicación de IoT basada en esta tecnología.
Una vez resuelto esto, se puede adquirir un nodo de medición o construir uno propio mediante la integración de módulos de comunicación Sigfox, similar a la construcción de nodos de hardware basados en Wifi o Bluetooth.
Con respecto a la cantidad de datos, Sigfox tiene los siguientes topes:
- El tamaño máximo de un paquete de datos es de 12 Bytes
- Un nodo puede transmitir (uplink) máximo 140 mensajes por día, con un límite de seis mensajes por hora
- También hay un límite para los mensajes que recibe un nodo (downlink), solo cuatro por día
Como toda red LPWAN, Sigfox brinda ventajas en cuanto a la duración de batería gracias al bajo consumo de energía en transmisión y recepción. También agrega capas de seguridad en las comunicaciones, y la nube Sigfox puede integrarse fácilmente con otras aplicaciones para análisis y visualización.
Del otro lado, las desventajas principales son:
- Dependencia de un operador local de red
- La cantidad de datos a transmitir depende del paquete contratado por cada nodo (cuantos más datos, mayor el costo)
- Normalmente se recomienda Sigfox para aplicaciones que han escalado al orden de miles de nodos, cada uno de los cuales transmite muy pocos datos al día
La dependencia del operador local, limita los lugares en los que se puede desplegar una solución basada en Sigfox.
Para Colombia, la cobertura de esta red a la fecha de publicación de este artículo abarca las siguientes ciudades: Bogotá, Medellín, Barranquilla, Bucaramanga, Cartagena, Cali, Neiva, Popayán, Pasto, Pereira, Ibagué, Quibdó, Montería, Valledupar y algunos municipios aledaños a dichas ciudades.
3. LoRaWAN
De acuerdo con Amazon, LoRaWAN es reconocido actualmente como un estándar internacional para redes de área amplia y bajo consumo de energía (LPWAN).
LoRa es una tecnología de radiofrecuencia desarrollada por Semtech que opera en el espectro sin licencia o banda ISM (915 MHz para Colombia), al igual que Sigfox.
LoRaWAN es la especificación creada por LoRa Alliance en 2015, para la red de baja potencia y largo alcance, basada en comunicación LoRa.
Entre sus principales características se encuentran:
- Largo alcance, hasta 15 km en área rural
- Bajo costo de dispositivos
- Paquetes de datos de 51 a 241 Bytes
- Bajo consumo de energía dependiendo de la velocidad de transmisión y la clase de dispositivo usado
- Altos estándares de seguridad en la transmisión de datos
La arquitectura de red es similar a la de otras redes LPWAN (Figura 3). En este caso se cuenta con:
- Nodos o dispositivos finales, que son los que recolectan los datos mediante sensores
- Gateways o puertas de enlace, que reciben los datos transmitidos por los nodos mediante comunicación LoRa y los envían a la nube a través de otro medio (Wifi, Ethernet, celular)
- Servidor de red que permite configurar los nodos y gateways, consolidar los mensajes y enrutarlos
- Servidor de aplicación, que se comunica con el servidor de red y permite implementar las interfaces gráficas y las conexiones con otras aplicaciones, para analizar y visualizar los datos
Una enorme ventaja que tiene esta tecnología es que además de contar con redes públicas administradas por operadores, cualquier persona puede montar su propia red privada de objetos conectados basada en LoRaWAN.
Adicionalmente, hay una gran diversidad de tarjetas de desarrollo, gateways de distintas características para entornos exteriores e interiores, y muchas empresas enfocadas en la producción de nodos de medición para todo tipo de variables en aplicaciones ambientales, agrícolas, de salud, industriales, etc.
Figura 3. Arquitectura de la red LoRaWAN. Fuente. Tomado de Semtech
Para marzo de 2023, Semtech reportaba 5,9 millones de gateways desplegados en todo el mundo, alrededor de 300 millones de dispositivos LoRa conectados, y 181 operadores públicos de red. Esto es una muestra de la relevancia que ha tomado LoRaWAN en el mundo del IoT.
Gracias a su versatilidad y pocas barreras de implementación, LoRaWAN permite escalar desde prototipos con pocos nodos hasta sistemas completos de cientos o miles de nodos.
En próximas entregas iremos cubriendo más detalles del desarrollo de prototipos para aplicaciones IoT que usen LoRaWAN como medio de comunicación.
Conclusión
En esta entrega presentamos las características principales de las redes LPWAN y las tres más relevantes hoy en día.
Cada una tiene sus fortalezas y debilidades, y la elección de la tecnología de comunicación ideal dependerá del caso de uso específico. No obstante, la red que ha ganado mayor tracción entre los desarrolladores de productos electrónicos ha sido LoRaWAN.
Las tecnologías de la industria 4.0 avanzan rápidamente, y conocer estos conceptos básicos sobre las redes que permiten interconectar dispositivos IoT a grandes distancias, es fundamental para cualquier desarrollador de hardware.
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