Una red para el «internet de cosas» es una red de área extendida con un consumo muy bajo, diseñada para aplicaciones que funcionen de máquina a máquina (M2MIoT). Estas redes tienen el proposito de transferir datos a baja velocidad con el fin de mantener un bajo consumo de energía y prolongar la vida de las baterías. Las redes LPWAN deben permitir la conectividad entre dispositivos que requieran un ancho de banda mucho menor de lo que es necesario en la mayoría de los dispositivos domésticos estándar y deben ser suficientemente escalables para acomodar las 20.800 millones de «cosas» que según Gartner estarán conectadas a la IoT en 2020.
Los propósitos de las redes LPWAN no son proporcionar las velocidades más rápidas para las aplicaciones más exigentes; al contrario, el objetivo es proporcionar una capa de baja potencia para dispositivos pequeños como sensores y medidores inteligentes. Estos dispositivos toman lecturas y envían la información a otro sistema que puede procesar los resultados, actuando despues en consecuencia. La mayoría de los usos se están encontrando en el sector industrial, mientras que las tecnologías de acceso como Bluetooth, Zigbee y Wi-Fi están orientando su explotación a aplicaciones más exigentes.
Las LPWANs permiten que los dispositivos se conecten en intervalos de alrededor de 15 milisegundos, por lo que pueden facilitar que la duración de sus baterías llegue hasta los 10 años. Bajo costo, baja potencia y seguridad son los tres pilares de la construcción de una red de IoT.
Fuente: LoRa
Pero lo que puede hacer más interesante el uso de una red inalámbrica de baja potencia es que está diseñada para operar a costos mucho más bajos que las redes LTE o 3G. Debido a esto, varios proveedores de IoT están entrando en el mercado con la esperanza de convertirse en la fuente de acceso a la comunicación IoT dedicada.
¿Mercados verticales para las redes de IoT?
Energía: Medición inteligente.
Cuidado de la salud: Seguimiento de pacientes y seguimiento de la salud.
Transporte Vehículos automatizados, carreteras inteligentes.
Fábricas: Procesos automatizados.
Edificios: Estadios conectados, entornos dinámicos, etc…
Muchas opciones, diferentes sabores
Sigfox
La empresa francesa Sigfox despliega redes inalámbricas diseñadas para conectarse a dispositivos de baja energía. Estas redes utilizan la banda ultra-estrecha para la que no es necesaria licencia por debajo de 1 GHz y métodos estandares de transmisión por radio. Sigfox afirma que su red ofrece «una gran resistencia a las interferencias», algo que uno debe tener en cuenta cuando usa el espacio del espectro radioeléctrico disponible sin licencia.
Este operador está desplegando su propia red de IoT en todo el mundo y convertiendose en un operador global de LPWAN. La compañía está trabajando para ello con operadores regionales para realizar su despliegue, como ha hecho en España con Telefonica, con la coreana SK Telecom o la japonesa NTT DOCOMO, apoyandose en ellos para encaminar todos los datos recibidos en los servidores de Sigfox antes de ser enviados a los dispositivos de los clientes. Sigfox quiere que su servicio básico se ejecute dentro de cada dispositivo. Eso sin duda crea un riesgo añadido, pero los 115 millones de dolares de inversión que ha recibido muestran que no son los únicos que piensan que se puede hacer.
Sigfox dice que sus clientes sólo necesitan tres cosas para poner en marcha su entorno IoT:
- Un módulo o transceptor listo para entenderse con la red Sigfox.
- Una suscripción válida. Los kits de desarrollo y las placas de evaluación incluyen una suscripción de un año.
- Estar en un área de cobertura.
La red de la compañía está actualmente disponible en 28 países, cubriendo 1,6 millones de kilómetros cuadrados y 451 millones de residentes.
«Lo más importante para que la gente entienda, es que la base de IoT es enorme y habrá múltiples tipos de conectividad. Además, es crucial entender el posicionamiento de las diferentes soluciones y aquí nadie tiene un posicionamiento similar a Sigfox «, dijo Thomas Nicholls, vicepresidente de comunicación de Sigfox, a Industrial IoT 5G Insights. «No habrá un solo actor que gane todo porque los diferentes accesos sirven para diferentes tipos de aplicaciones. Y hay muchos casos de uso que sólo pueden ser abordados desde soluciones diferentes a Sigfox.»
LoRaWAN
LoRaWAN es una infraestructura LPWAN de código abierto creada por LoRa Alliance que, a diferencia de Sigfox, permite a otras compañías crear sus propias redes IoT basadas en sus especificaciones tecnológicas.
La tecnología está diseñada para permitir que una pasarela o estación base cubra ciudades enteras o cientos de kilómetros cuadrados en campo abierto. Rango que depende del entorno y las obstrucciones en un lugar determinado, pero LoRa afirma que su red tiene un alcance en el enlace, o un factor en la determinación del rango de cobertura de un entorno dado, mayor que cualquier otra tecnología de comunicación estandarizada.
La comunicación entre los dispositivos finales y las pasarelas se realiza utilizando canales, con diferentes frecuencias y distintas velocidades de datos. Debido a que utiliza un enfoque de frecuencia modulada pulsada (Chirping), las comunicaciones con diferentes velocidades de datos no interfieren entre sí y crear un conjunto de canales «virtuales» que aumentan la capacidad de la pasarela.
Las velocidades de datos de LoRaWAN oscilan entre 0,3 y 50 kilobits por segundo.
Existen tres tipos diferentes de clases LoRaWAN, cada una con su propia forma de recibir y transmitir señales.
- Dispositivos finales bidireccionales (clase A): Los dispositivos finales de clase A permiten comunicaciones bidireccionales por las que la transmisión ascendente de cada dispositivo final es seguida por dos ventanas cortas de recepción del enlace descendente. La ranura de transmisión programada por el dispositivo final se basa en sus propias necesidades de comunicación con una pequeña variación basada en una base de tiempo aleatoria (similar al protocolo ALOHA). Esta operación de Clase A es la de menor consumo de potencia en los dispositivo finales y se utilizará para aplicaciones que sólo requieran comunicación de enlace descendente desde el servidor poco después de que el dispositivo final haya enviado una transmisión de enlace ascendente. Las comunicaciones de enlace descendente desde el servidor en cualquier otro momento tendrán que esperar hasta el siguiente enlace ascendente programado.
- Dispositivos finales bidireccionales con ranuras de recepción programadas (clase B): Además de las ventanas de recepción aleatoria de clase A, los dispositivos de clase B pueden abrir ventanas de recepción adicionales a horas programadas, en las que el dispositivo final al abrir su ventana de recepción a la hora especificada puede recibir una baliza de sincronización desde la pasarela. Esto permite al servidor saber cuándo el dispositivo final está escuchando.
- Dispositivos finales bidireccionales con ranuras de recepción máximas (Clase C): Los dispositivos finales de la Clase C tienen ventanas de recepción abiertas casi continuamente, cerradas solamente cuando transmiten.
La arquitectura de red LoRaWAN se presenta típicamente en una topología de estrella de estrellas en la que la pasarela es un puente transparente que retransmite mensajes entre dispositivos finales y un servidor de red central en el backend. Las pasarelas se conectan al servidor de red a través de conexiones IP estándar mientras que los dispositivos finales utilizan una comunicación inalámbrica de un solo salto a una o varias pasarelas. Todas las comunicaciones finales son generalmente bidireccionales, pero también son compatibles con la posibilidad de multidifusión, permitiendo la actualización de software u otros mensajes de distribución masiva para reducir el tiempo de comunicación.
Senet
Mientras que LoRa es un conjunto de tecnologías que permiten una red de energía ultra baja, Senet es un proveedor de red de tecnología basada en LoRa. Actualmente es el único proveedor público de LPWAN que utiliza la modulación LoRa. Las redes Senet se han expandido a decenas de miles de nodos sensores, 500 torres y más de 250,000 kilometros cuadrados. El año pasado, la compañía desarrolló una red en San Francisco para facilitar la expansión de los servicios de IoT.
A principios de Octubre, Senet alcanzó un hito en proporcionar cobertura a 110 ciudades de los Estados Unidos. Según la compañía, darán servicio en las 10 mayores ciudades de Estadosi Unidos; Los Angeles, New York City, Washington D.C., Chicago, Philadelphia, Dallas, Seattle, San Diego, Atlanta y Denver según su plan de expansión para el 2017.
«Seguimos ejecutando nuestro plan de construcción de la red en los Estados Unidos y estamos encantados de haber alcanzado este hito», dijo George Dannecker, presidente y CEO de Senet. «Esto demuestra claramente nuestra posición de liderazgo en la construcción y operación [de redes de área extendida de baja potencia] a escala. Sin embargo, la cobertura y el crecimiento de la red son sólo una pieza del rompecabezas en la comercialización de aplicaciones de IoT de alto retorno [retorno de la inversión], por lo que seguiremos centrándonos en ayudar a que estas aplicaciones se desplieguen más rápidamente haciendo una mayor inversión en ese área «.
LTE CAT-M
Todo el mundo está familiarizado con el ultra-rápido, ancho de banda de la red LTE intensiva. Pero es la tecnología Cat-M basada en LTE la que está preparada para llevar el estándar inalámbrico al territorio LPWAN. Cat-M se considera una «tecnología celular» que cae bajo la estandarización 3GPP. Se diferencia de Sigfox y LoRa en que utiliza espectro con licencia, en lugar de espectro abierto, sin licencia. Esto le permite evitar que los competidores potenciales en el espectro sin licencia puedan hacerle competencia.
Arne Schaelicke, que lidera la comercialización de LTE para las redes móviles de Nokia, dijo a Fierce Wireless por qué las normas como CAT-M hará posible avanzar en esta tecnología.
«Sigfox, LoRa e Ingenu usan espectro sin licencia, ya que todos pueden usar este espectro, podrían surgir tecnologías aún más competitivas», dijo Schaelicke. «Cuantas más tecnologías y más dispositivos se conecten en este espectro, mayor será el riesgo de interferencia.» Sólo las tecnologías de IoT celular en espectro con licencia permitirán una conectividad IOT confiable en grandes áreas manteniendose a largo plazo».
Cat-M es la segunda generación de chipsets LTE destinados a IoT. La primera generación, el Cat-M1 LTE, permitió reducir el consumo de energía y el costo al limitar las velocidades de descarga a 10 megabits por segundo y velocidades de carga hasta 5 Mbps. Un lanzamiento posterior de Cat-M1 limitaba las velocidades de descarga entre 200 y 300 kilobits por segundo Rango. Cat-M2 reducirá aún más el consumo de energía con el fin de utilizar un ancho de banda más limitado y mantener la eficiencia de los dispositivos de bajo consumo. Para ello se reducirá el rendimiento hasta un margen de entre 10 y 30 kilobits por segundo, con requisitos de ancho de banda de 200 kilohercios.
En un informe de Febrero de RCR Wireless News, el CEO de Sequans, Georges Karam, habló sobre las razones por las que los operadores recurren a LTE para IoT.
«Básicamente, el mercado utiliza Cat-1 para todas esas aplicaciones porque no tienen nada más», dijo Karam. «Todas las aplicaciones de [máquina a máquina] – necesitan pasar de 2G a otra cosa y lo mejor que se puede es pasar a Cat-1, por lo que estamos viendo Cat-1 utilizado en todo tipo de aplicaciones, ya sea de alta Velocidad o velocidad muy baja. Si usted está dispuesto a pagar, entonces ¿por qué no? Es una buena solución «.
Los operadores móviles Verizon Wireless y AT&T Mobility han expresado su interés en usar Cat-M LTE para sus redes. En febrero, el socio de chips de Verizon Communications, Sequans, anunció el lanzamiento de un chipset Cat-M, y a principios de este mes AT&T dijo que estaba probando la tecnología CAT-M1, que podría ser una solución para cuando se produzca el apagado de la red 2G.
El operador comentó los siguientes beneficios del uso de la tecnología Cat-M:
- Acceso a la tecnología de módulos de bajo coste.
- Duración de la batería de 10 años o más para dispositivos IoT.
- Cobertura mejorada de LTE para áreas subterráneas y en edificios que son un desafio para su cobertura.
Panorama futuro
No es fácil predecir qué pasará con las nuevas redes IoT. Una cosa que sí sabemos es que la próxima red «5G» jugará un papel en IoT de una forma u otra. Definir el alcance de esa 5G supone un desafío tecnológico importante ya que debería proporcionar una interfaz aérea tan flexible que puede soportar todo, desde aplicaciones de gran ancho de banda y latencia intensiva, como el control industrial remoto, hasta las transmisiones de bajo consumo y bajo rendimiento enviadas a través de redes IoT.