Resumen—En este artículo se analizan algunas de las
soluciones LPWAN aplicadas al IoT en términos de bajo consumo de energía. El propósito es presentar las tecnologías en contexto a la coexistencia de las redes existentes en las cuales se inspecciona las características, topología y aspectos técnicos de cada representante. Redes LPWA licenciadas (EC-GSM-IoT, NB-IoT) y no licenciadas (LoRa, SixFox)
Términos del Índice—Low Power Wide Area (LPWA),
Long Range (LoRa), Narrowband IoT (NB-IoT), SixFox.
I. INTRODUCCIÓN
as redes de área extensa de baja potencia (LPWA), describe una categoría de tecnologías de comunicación inalámbrica diseñadas para soportar implementaciones de Internet de las cosas (IoT).
Las redes 3G/4G no son las únicas tecnologías disponibles para dar conectividad a dispositivos IoT, existen todas las generaciones de redes LPWA que están diseñadas expresamente para atender millones de conexiones simultáneas de dispositivos de muy baja potencia de transmisión, consumo eléctrico y relativamente bajos en anchos de banda en áreas metropolitanas.
Estas tecnologías en muchos países se aprovechan para crear todo tipo de soluciones para atender problemas locales y globales. [1]
El internet de las cosas se refiere al universo de pequeños dispositivos con uno o más sensores que transmiten las mediciones a través de una red inalámbrica hasta un sistema en la nube donde esos datos se almacenan y se procesan para algún fin. Por ejemplo, en los servicios públicos un medidor eléctrico inteligente transmite el consumo eléctrico a través de la misma red eliminando así las visitas por personal a los medidores,
los rastreadores GPS de los vehículos son dispositivos que existen desde hace varios años permitiendo obtener su ubicación casi en tiempo real. A la medida que los dispositivos IoT se van haciendo más abundantes se van haciendo menos visibles, van a estar incrustados en paredes, en las vías públicas, en los cielos rasos hasta dentro de las personas. Según el IBSG (Internet Business Solution Group) de Cisco, el IoT es simplemente el momento en el que hay más cosas u objetos conectados a Internet que personas. [4]
Gracias a la tecnología que tenemos a nuestro alcance podemos crear soluciones para satisfacer necesidades en los diferentes sectores economicos.
II. TECNOLOGÍAS LPWAN
LPWAN se convierte en un protocolo de transporte inalámbrico para cumplir los requerimientos del IoT, radica en su capacidad para ofrecer conectividad de bajo consumo a una gran cantidad de dispositivos. Al transmitir a una tasa de bits de 0.3 kb/s a 50 Kb/s se reduce el ancho de banda y se consume menos energía, logrando así largo alcance. A diferencia de las redes 3G 4G y WiFi van enfocados a las altas velocidades de datos o para minimizar la latencia en los dispositivos.
Muchas soluciones e implementaciones de IoT necesitan redes de área extensa de baja potencia, revisamos brevemente las principales características de algunos representantes del mercado en las bandas licenciadas como no licenciadas.
En la lista se encuentran: EC-GSM-IoT, LTE-MTC, NB-IoT, LTE-Advanced Pro, 5G, Waveiot, Weightless-W/N/P, LoRa, SigFox
Telemetría a través de redes de área extensa
de baja potencia (LPWA) y en coexistencia
con el internet de las cosas (IoT)
Andres Montes, Luciano Camacho
A. LoRa y LoRaWAN
LoRa (Long Range) es una tecnología desarrollada por Semtech, modula en la banda ISM Sub-GHz utilizando una técnica patentada de espectro. La comunicación bidireccional es proporcionada por la modulación de espectro de dispersión (CSS) que propaga una señal de banda estrecha en un ancho de banda de canal más amplio. La señal resultante tiene bajos niveles de ruido, lo que permite una alta resistencia a las inferencias y es difícil de detectar o atascar.[7]
La velocidad de datos LoRa está entre 300bps y 50 kbps, dependiendo del factor de dispersión y el ancho de banda del canal. El modelo comercial de LoRa Alliance está centralizado en la venta de chips. Esto significa que si desea utilizar LoRa debe crear su propia red, administrar los Gateway (puertas de enlace) y realizar el backend (servidor de red).
LoRaWAN es el protocolo de comunicaciones basada en los chips LoRa operando de forma bidireccional y adecuado para los requerimientos del IoT. Usando LoRaWAN cada mensaje transmitido por un dispositivo final es recibido por todas las estaciones base en el rango. Al aprovechar esta recepción redundante mejora la proporción de mensajes con éxito. Sin embargo, para lograr esta función se requiere múltiples estaciones base en el rango seleccionado, lo que puede aumentar el costo de implementación de la red. Además, LoRaWAN con las recepciones del mismo mensaje se puede localizar los dispositivos finales.[8]
B. SigFox
Es una red propietaria conectada a los servidores back-end de SigFox. Los dispositivos finales se conectan a las estaciones base mediante la modulación BPSK en banda estrecha de 100Hz (ultra-narrow-band). [18]. SigFox utiliza el ancho de banda de frecuencia eficientemente experimentando niveles de ruido muy bajos, lo que conlleva a un consumo de energía de bajo costo. Inicialmente SigFox admitía la comunicación de enlace ascendente, pero luego evolucionó a tecnología bidireccional. El número de mensajes a través del enlace ascendentes está limitado a 140 mensajes por día. Cada mensaje del dispositivo final se transmite varias veces (3 de forma predeterminada) a través de diferentes canales de frecuencia. Como las estaciones base pueden recibir mensajes simultáneamente en todos los canales el dispositivo final puede elegir aleatoriamente un canal de
frecuencia para transmitir sus mensajes. Esto simplifica el diseño del dispositivo final y reduce su costo. [16]
C. NB-IoT
Es una tecnología IoT de banda estrecha especificada en la versión 13 del 3GPP en junio de 2016. NB-IoT puede coexistir con GSM (sistema global para comunicaciones móviles) y LTE, ocupa un ancho de banda de frecuencias de 200 khz. Con esta selección de banda de frecuencias se puede conformar los siguientes modos de operación:
Fig. 1: Imagen cortesía de Ericsson. Modos de operación NB-IoT
1) Operación independiente:
Utilizar las bandas de frecuencias GSM que actualmente son usadas.
2) Operación de banda de guarda:
Utilizando los recursos que no se usan en la banda de guarda en LTE.
3) Operación dentro de banda:
Utilizar recursos dentro de la banda de operación en LTE.
NB-IoT permite la conectividad de hasta 100 mil dispositivos finales por celda con la posibilidad de aumentar la capacidad agregando más portadores de NB-IoT.
NB-IoT utiliza el acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA) en el enlace de ascendente y ortogonal FDMA en el enlace descendente empleando modulación QPSK. La velocidad de datos está limitada a 200 kbps para el enlace descendente y 20 kbps para el enlace ascendente.[2]
III. OBJETIVOS TÉCNICOS DE DISEÑO
La mayoría de tecnologías LPWA utilizan rango Sub-GHz para mejorar la robustez y la confiabilidad de comunicación a un menor costo en energía. La banda Sub-GHz proporciona mejor calidad de señal en áreas de cobertura extensas, más bajo de consumo de energía en comparación a las bandas de 2.4Ghz y 5GHz que son utilizadas por teléfonos inalámbricos, Bluetooth, ZigBee y tecnologías de usadas en el hogar.
Generalmente los diseños de LPWA tienen como objetivo lograr un presupuesto de enlace en el orden de 150 ± dB. Típicamente las sensibilidades del receptor son tan bajas como -130 dBm.[2]
El despliegue de entornos para IoT requiere que los componentes estén integrados y conformen a la unificación de la arquitectura de forma óptima.
Los componentes de la soluciones para IoT requieren que todos las etapas involucradas en la transmisión estén alineadas con las necesidades del entorno. Para esto se debe tener en cuenta los actores que las involucran.
A. Sensores
Los sensores son uno de los principales componentes para el funcionamiento de IoT, estos permitirán la interconectividad final de múltiples dispositivos, ya sea mediante la obtención de datos, ejecución de tareas o simplemente como dispositivos de paso. Comúnmente se utilizan en los campos de la automatización, la domótica, el ámbito del desarrollo entre otros.
Generalmente se busca que los sensores se encuentren ubicados cerca de los sistemas de control y monitoreo, sin embargo en aplicaciones donde las distancias entre sensores y el sistema de control se hacen deficientes por los altos costos de implementación como su mantenimiento.
Para lograr una integración completa, es necesario adaptarlas a un entorno de IoT, donde sus prestaciones estarán centralizadas en sistemas de monitoreo y control, bajo este concepto es indispensable reunir aspectos fundamentales de los sensores que permitan la autonomía y eficiencia esperada. [17]
Fig. 2: Arquitectura de sensores
1) Tipos de sensores
En el mercado existen diferentes tipos de sensores en forma de módulos, nombraremos algunos:
Presión atmosférica (GY-65) Giroscopio (GY-50)
Acelerómetro (GY-45) Luz (GY-30)
Gas (MQ-2/MQ-3/MQ-4/MQ-5/MQ-6/MQ-9) Movimiento (HC-SR01/HC-SR05)
Presión barométrica (GY-68) Rayos UV (GY- 8511)
Reconocimiento de color (GY-31) Temperatura y humedad (DHT11) Magnético (KY003)
GPS (GY-NEO6MV2)
Cada sensor cuenta con unas especificaciones técnicas de acuerdo al requerimiento:
Tensión de alimentación: 3.3 – 5 VDC / 1.8 – 3.7 VDC Voltaje de salida: 0 ~ 4.2 VDC / 0 – 3.0 VDC
Corriente de consumo: 35mA – 150mA Salida de señal analógica
Salida de señal conmutación TTL
Temperatura de funcionamiento: - 20 ± 60 °C Comunicación: I2C, RS232
Rangos de medición: De acuerdo al sensor
2) Características de los sensores / tecnológica de sensores
Entre las características técnicas típicas de un sensor se destaca [18-20]:
Determina la pendiente de la función de transferencia o de la curva de calibración.
b) Offset, Zero o null: es el valor de la salida para entrada cero.
c) Resolución (resolution): es el mínimo cambio en la entrada que puede ser detectado a la salida.
d) Umbral (threshold): mínimo valor de la entrada que es detectado a la salida
e) Linealidad (linearity): es la proximidad de la curva de calibración del sensor a una línea recta
f) Respuesta en frecuencia (frequency response): especifica la respuesta de un sensor ante entradas periódicas (típicamente sinusoidales)
g) Respuesta transitoria (transient response): hace referencia a la respuesta del sensor ante entradas en salto.
3) Duración de la batería y latencia
En general los dispositivos están en modo suspensión la mayor parte del tiempo de la operación, lo que reduce la cantidad de energía consumida. Sin embargo, los dispositivos finales consumirán energía adicional debido a la comunicación síncrona y el manejo de QoS y sus modos de acceso OFDM/FDMA que requieren más corriente pico para su transmisión.
4) Circuitos de Baja Potencia
Debido a que los dispositivos están desconectados, se debe garantizar su funcionamiento mediante baterías o mediante algún medio de recolección de energía del ambiente. Como los dispositivos para IoT requieren de largos periodos de vida, se debe restringir el consumo de energía, Fig. 2.
Fig. 3 Promedio de consumo de energía en función de la vida útil y tamaño de la batería.
B. Redes de Sensores
Típicamente, una red de sensores (Wireless Sensor Network) puede estar definido como una red de nodos que trabajan de forma cooperativa para detectar y controlar el entorno que los rodea. La arquitectura típico WSN consiste de 3 componentes: Nodos de sensores, Gateway y el observador (usuario). Los Nodos son los dispositivos que envía o recibe información por medio del Gateway
Las redes de sensores inalámbricos permiten el monitoreo de forma centralizada en un área determinada, donde se selecciona un sensor nodo principal y que interactúa con los sensores desplegados en el área cercana. [11]
Para los Nodos LoRa se tienen disponibles diferentes módulos de bajo costo, alrededor de los 20 USD:
CDSENET E19-915M20S RFM95W-915Mhz
SX1276 LoRa module 915 MHz Microchip RN248
C. Estaciones Base
Fig. 4. Diagrama de bloques para la puerta de enlace
El costo de los Gateways se encuentra alrededor de los 100 a 225 USD de acuerdo a la cantidad de canales y funcionalidades que ofrecen.
LG02 de Dragino pueden proporcionar una solución inalámbrica IoT de bajo costo para admitir entre 50 y 300 nodos de sensores.
RAK Micro Gateways RAK7258 de 8 canales equipado de antenas LoRa
D. Reglamentación para el uso del espectro ISM
En Colombia, la entidad que vigila y controla el espectro (ANE), bajo la RESOLUCIÓN N° 000711 DE 11 OCT. 2016 establece las bandas de frecuencias de uso libre para las aplicaciones industriales, científicas y médicas (ISM). La banda autorizada para las redes LPWA corresponde a 915 Mhz.[3]
Tabla 1 Bandas ISM para Colombia
Bandas Frecuencia Central
13.553 - 13.567 kHz 13.560 kHz 26.957 – 27.283 kHz 27.120 kHz 40,66 – 40,70 MHz 40,68 MHz
902 - 928 MHz 915 MHz
2.400 – 2.500 MHz 2.450 MHz 5.725 – 5.875 MHz 5.800 MHz 24 - 24,25 GHz 24,125 GHz
E. Factores IoT: comparación de tecnologías LPWAN
Antes de elegir una tecnología LPWAN, se debe considerar factores como la calidad del servicio, vida útil de la batería, latencia, la escalabilidad, la longitud de la carga útil, la cobertura, el alcance, la implementación y el costo. A continuación, se comparan las tecnologías en términos de estos factores y sus diferentes técnicas.
Tabla 2 Descripción general de las tecnologías LPWA
Tecnología /
Parámetros LoRa SigFox NB-IoT
Rango
5Km (Urbano)
20Km (Rural)
10Km (Urbano), 40Km (Rural)
1 Km (Urbano), 10Km (Rural)
Modulación CSS BPSK QPSK
Cobertura 157dB 153dB 164dB
Max. velocidad
de datos 50Kbps 100bps 250Kbps Ancho de
banda 250KHz y 125 KHz 100Hz 200KHz Potencia Max.
Transmitida 14dB 20dB 23dBm
Max. Longitud
de carga útil 243 bytes
12 bytes (Subida),
1600 bytes 8 bytes
(Bajada)
Frecuencia
ISM-no licenciado
433Mhz, 868Mhz,
ISM-no licenciado 868-869 Mhz 902-928 Mhz
Licenciado, banda LTE, banda de
guarda 915Mhz
Max
mensajes/día Sin limites
140 (Subida),
Sin Limites 4 (Bajada)
Inmunidad de
interferencia Muy Alta Muy Alta Baja
Autenticación
y Cifrado AES 128 bits No soportado Encriptación LTE
1) Calidad de servicios
2) Escalabilidad y longitud de carga útil (Payload lengh)
NB-IoT ofrece la ventaja de una escalabilidad muy alta que SigFox y LoRa. NB-IoT permite una conectividad de hasta 100 mil dispositivos finales por celda en comparación con 50 mil por celda para SigFox y LoRa. De acuerdo a la información de la Tabla 2, observamos que SigFox se encuentra limitado en varias aplicaciones de IoT donde se requieran enviar grandes tamaños de datos.
3) Cobertura y alcance de la red
La mayor ventaja de utilizar SigFox es que se puede cubrir una ciudad entera con una estación base, es decir, mayor a 40 Km.
LoRa tiene un rango más bajo de alrededor de los 20 Km donde se requieren solo tres estaciones base para cubrir una ciudad entera.
NB-IoT tiene el rango más bajo y las capacidades de cobertura inferior a los 10 Km. Además, el despliegue se limita a las estaciones base LTE. Por lo tanto, no es adecuado para regiones rurales suburbanas que no se benefician de la cobertura de LTE.
Una de las ventajas principales de las tecnologías LPWAN es que operan en la banda de frecuencias sin licencia ISM (Industrial, Científica, Médica) a 169 MHz, 433 MHz, 868/915 MHz y 2.4 GHz, según la región de operación.
4) Modelo de despliegue
Los ecosistemas de SigFox y LoRa están maduros y ahora están disponibles en varios países y ciudades. La ventaja significativa de LoRa es su flexibilidad, al implementar un modelo hibrido, una red LoRa en áreas de fábrica y usar la red pública LoRa para cubrir áreas externas.
Fig. 5. Diagrama de bloques para implementar IoT a partir de las redes LPWA
F. Recolección de los datos
Para las redes propias LoRaWAN existen 2 plataformas que se pueden utilizar abiertamente como backend.
LORIOT, permite registrar una puerta de enlace LoRaWAN (Gateway) y recibir datos de hasta 10 dispositivos de forma gratuita.
TTN (The Things Network), permite registrar Gateways LoRaWAN y utilizar cualquier Gateways para recibir datos de los nodos de forma gratuita.
G. Protocolo de comunicación
Los protocolos permiten enviar la información de los sensores a través de internet de forma segura. Las puertas de enlace (Gateway) reciben los datos de los nodos y lo reenvían a TTN (The Things Network) soportando el protocolo MQTT.
MQTT (Message Queue Telemetry Transport) es un protocolo de mensajería de publicación / suscripción ligero. Está diseñado para tener una mínima sobrecarga para aplicaciones M2M y IoT. Se puede utilizar en infinidad de aplicaciones como en la telemetría, automoción, casa inteligentes, monitorización de energía hasta aplicaciones de chat.
H. Categoría de Dispositivos
pueden recibir datos en ningún momento.
Clase B: Comunicación a intervalos regulares mediante la sincronización con una baliza. Aunque no necesitan enviar datos, se activan periódicamente para recepción de la red.
Clase C: Enlace continúo a la red. Pueden recibir y enviar datos en cualquier momento.
Aplicación LoRaWAN MAC Protocolo LoRaWAN
Clase A Clase B Clase C Esquema de Modulación
Banda Regional ISM
Fig. 6. Modelo de capas para LoRa y LoRaWAN
I. Arquitectura Redes LPWA
La mayoría de tecnologías para IoT utilizan arquitectura de red en malla, lo que incrementa los rangos de comunicación y adicionan efectividad en el envío de mensajes a otros nodos.
La arquitectura de red mostrada en la Fig. 7 combina un nivel de acceso múltiple para la información proporcionada por los puntos finales de IoT. En este caso, el enlace se realiza a través de dispositivos intermediarios que facilitan la conectividad mediante la tecnología LoRa.
Las estaciones base desplegadas sobre un área de cobertura, permiten el intercambio de información con los puntos finales (dispositivos, sensores) a través de un enlace de radio. La información recibida no es procesada, sólo se encargan de funcionar como puerta de enlace.
Los servidores de red se encargar de administrar los dispositivos, ya sea para ajustes de la transmisión o para el manejo de los intervalos de envío. Adicionalmente permiten la gestión de las estaciones bases y verificación de las tramas.
La arquitectura mixta permite la integración y coexistencia con múltiples tecnologías para LPWAN usando dispositivos para IoT y administrados usando servidores de red, Fig 7. La información finalmente será envida usando enlaces de banda ancha a los servicios en la nube, donde los datos serán analizados y organizados para su despliegue final en dispositivos de usuario.
Fig. 7. Arquitectura mixta IoT y LPWAN
IV. APLICACIONES DE IOT
Hoy en día IoT se está extendiendo ampliamente en los segmentos de consumo, negocios e industria.
A. Agricultura inteligente
Smart Agriculture, utiliza sensores de bajo costo para medir parámetros como temperatura, humedad, velocidad del viento, indicador de lluvia, etc. requiere una tecnología de comunicación de bajo consumo de energía para mejorar la vida útil de la batería. Los sensores envían la información varias veces por hora porque las condiciones no cambiarán instantáneamente. LoRa y LoRaWAN son adecuados para estos requisitos debido a su largo alcance y bajo consumo de energía. NB-IoT y LTE-M no son ideales porque muchas granjas no tienen cobertura celular [15].
B. Edificio inteligente
Controla la temperatura, el flujo de agua, la seguridad, los dispositivos eléctricos y los enchufes eléctricos para evitar daños al proporcionar alertas. Esta aplicación requiere varios sensores de bajo costo y uso de baterías de larga duración. No requiere una gran calidad de servicio ni una comunicación frecuente, por lo tanto, LoRa y LoRaWAN son ideales para esta aplicación.
V. CONCLUSIONES
Las soluciones LPWA licenciadas y no licenciadas tienen sus propias ventajas y desventajas según sus diferentes principios tecnológicos. En general no existe una tecnología LPWA única, sino la tecnología más adecuada para la aplicación específica. LoRa y SigFox se centra en las aplicaciones de bajo costo, mientras NB-IoT está dirigido a aplicaciones que requieren un QoS alta y una latencia baja.
El documento muestra algunas características de diseño de IoT para los diferentes componentes que conforman las aplicaciones tradicionales para IoT y la integración con diferentes sistemas para conformar una aplicación determinada.
Las redes LPWAN en coexistencia con entornos para IoT entregan prestaciones para aplicaciones específicas en donde se requiere de información a intervalos no regulares y donde el desempeño de la batería requiere de altos tiempos de duración.
Las redes LPWA continuaran revolucionando permitiendo la recolección de datos y control de dispositivos de una forma que era imposible desde el punto de vista económico.
En el sector de la salud, los pacientes están monitoreados a distancia, útil para área remotas donde hay escasez de médicos y el monitoreo del tráfico, útil en la gestión vehicular para las grandes ciudades.
REFERENCIAS
[1] Comparative Performance Analysis of Wireless Communication Protocols for Intelligent Sensors and Their Applications
http://dx.doi.org/10.14569/IJACSA.2014.050413
[2] “LPWA Market Forecast: Connections Will Grow by 3 Billion in Under Ten Years.” n.d. Internet of Things (blog). Accessed November 29, 2017.
https://www.gsma.com/iot/news/lpwa-market-forecast-connections-will-grow-3-billion-ten-years/
[3] Clasificación de bandas libres en Colombia.
https://www.ane.gov.co/images/ArchivosDescargables/Comentarios/ cnabf/CUADRO_CNABF.pdf
[4] An Introduction to the Internet of Things (IoT). (2017). CISCO. Retrieved 1 July 2017
https://www.cisco.com/c/dam/en_us/solutions/trends/iot/introduction _to_IoT_november.pdf
[5]
https://addi.ehu.es/bitstream/handle/10810/23420/Memoria.pdf?sequ ence=1
[6] The Things Network, TTN: The things network. https://www.thethingsnetwork.org, 2017
[7] Loriot: LoRa Gateways and Concentrators. https://www.loriot.io/gateways.html, 2017
[8] Semtech: AN1200.22 LoRaTM Modulation Basics. http://www.semtech.com/images/datasheet/an1200.22.pdf. : Semtech, 2015
[9] IoT Design Space Challenges: Circuits and Systems, D. Blaauw, D. Sylvester, P. Dutta, Y. Lee, University of Michigan, Ann Arbor, MI, USA
[10] Web site:
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6387215/
[11] On the Application of LoRa LPWAN Technology in Sailing Monitoring System, Lingling Li, Jiuchun Ren, Qian Zhu, 2017 13th Annual Conference on Wireless On-demand Network Systems and Services (WONS), Department of Communication Science and Engineering Fudan University, Shanghai, China.
[12] Web site:
https://www.dragino.com/products/lora.html
[13] Web site:
http://docs.rakwireless.com/en/LoRa/Indoor-Gateway-
RAK7258/Hardware-Specification/Indoor_Gateway_RAK7258_Product_Brief_V1.1.pdf
[14] Web site:
https://powerhousedynamics.com/industries/restaurants/
[15] A comparative study on various LPWAN and cellular communication Technologies for IoT based Smart Applications, Sarath Chandu Gaddam, Mritunjay Kumar Rai, Proceedings of 2018 International Conference on Emerging Trends and Innovations in Engineering and Technological Research (ICETIETR)
[16] Web site:
https://www.sigfox.com/en
[17] R. Verdone. D. Dardari. G. Mazzini. A. Conti. Wireless Sensor and Actuator Networks: Technologies, Analysis and Design. Academic Press, 2008
[18] Web site:
http://www1.udistrital.edu.co:8080/documents/138588/931dd135-88be-47ed-ae22-b4afecea3912
[19] Web site:
http://cdn2.hubspot.net/hubfs/427771/LPWAN-Brochure-Interactive.pdf
[20] Web site:
