Estándares para la realización práctica de la Internet de las Cosas

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Estándares para la realización práctica de la Internet de las Cosas.. Autor: Lisdeybi Maury Yera Tutor: MSc. Carlos M. García Algora. Santa Clara 2015 "Año 57 de la revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Estándares para la realización práctica de la Internet de las Cosas. Autor: Lisdeybi Maury Yera E-mail: [email protected]. Tutor: MSc. Carlos M. García Algora Facultad de Ingeniería Eléctrica E-mail: [email protected] Santa Clara 2015 "Año 57 de la revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Tutor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. No pretendamos que las cosas cambien si seguimos haciendo lo mismo. Albert Einstein..

(5) ii. DEDICATORIA. A mi familia, en especial a mis padres, por su apoyo incondicional. A mis amigos..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. Agradecimientos a todos los que, de una forma u otra, han contribuido a la realización de este trabajo. -A Dios por darme las fuerzas y la salud que necesito. -A mis padres por el esfuerzo que han realizado para que pueda estar aquí. -A mis cuatro abuelos que son la luz de mis ojos. -A mi tutor Carlos M. García Algora, por ser un guía ejemplar en la investigación. -Al claustro de profesores por contribuir a lo largo de estos cinco años a mi formación profesional. -A todos mis amigos muchísimas gracias..

(7) iv. TAREA TÉCNICA. Con el propósito de darle cumplimiento a los objetivos trazados para la realización de esta tesis, se tuvo en cuenta las siguientes tareas técnicas para la confección del informe: 1- Realización de una revisión bibliográfica acerca de las características de la Internet de las Cosas. 2- Análisis de las principales redes que componen la IoT. 3- Caracterización de los estándares de redes para la implementación práctica de la IoT. 4-Descripción de las propuestas de arquitecturas para la IoT. 5-Establecimiento de pruebas que validen la contribución de los estándares descritos al desarrollo de la IoT.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. Determinar una arquitectura estándar para la implementación de la Internet de las Cosas es un objetivo fundamental de la comunidad científica actual. Lograr estandarizar dicha arquitectura se convierte en todo un reto. La IoT trae consigo un gran número de aplicaciones, los estándares utilizados en su realización práctica deben ser compatibles con el mayor número de escenario de aplicaciones posibles y lograr la interoperabilidad de los dispositivos involucrados tanto entre ellos como con las redes de comunicaciones existentes. Este trabajo desarrolla una explicación teórica de la IoT y evidencia la amplia gama de aplicaciones que se derivan de su implementación. Se identifican los principales objetivos y regulaciones de los estándares involucrados en la implementación de la IoT, así como a las redes a que están destinados dichos estándares. Se incluyen explicaciones acerca de diferentes marcos de trabajo propuestos para la implementación de la IoT y el proceso de estandarización correspondiente a cada escenario expuesto en el informe..

(9) vi TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA ................................................................................................................iv RESUMEN ............................................................................................................................. v GLOSARIO .............................................................................................................................i INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 Capítulo 1 Características Generales de la Internet de las Cosas ........................................... 5 1.1 Definición de la Internet de las Cosas .......................................................................... 5 1.1.1 Definición de Internet de las Cosas desde la perspectiva orientada a las cosas. ... 5 1.1.2. Definición de Internet de las Cosas desde la perspectiva orientada a Internet . 6. 1.1.3 Definición de Internet de las Cosas orientada la semántica. .................................. 6 1.2. Características de la Internet de las Cosas ................................................................... 7 1.3.. Ventajas y desventajas de la Internet de las Cosas .................................................. 8. 1.4.. Aplicaciones potenciales de la Internet de las Cosas. .............................................. 9. 1.4.1.. Industria Automotriz. ...................................................................................... 10. 1.4.2.. Industria médica y sanitaria ............................................................................ 10. 1.4.3.. Venta minorista, logística y gestión de la cadena de suministro .................... 11. 1.4.4.. Monitoreo del Medio Ambiente ..................................................................... 12. 1.5.. Redes que componen la Internet de las Cosas. ...................................................... 13. 1.5.1.. Características principales de las Redes Inalámbricas de Área Personal. ...... 13. 1.5.2.. Características principales de las Redes de Radio Cognitiva. ........................ 16.

(10) vii 1.5.3.. Características principales de las Redes Inalámbricas de Área Local. ........... 17. 1.6 Consideraciones finales. ............................................................................................. 19 Capítulo 2 Descripción de los estándares relacionados con la implementación práctica de La Internet de las Cosas ........................................................................................................ 20 2.1. Caracterización del protocolo CoAP. ........................................................................ 20 2.2. Caracterización del protocolo RPL. ........................................................................... 21 2.3. Caracterización del estándar 6LoWPAN. .................................................................. 23 2.4. Caracterización del estándar IEEE 802.15.4e ............................................................ 24 2.5. Caracterización del estándar ZigBee. ........................................................................ 25 2.6. Caracterización del estándar WirelessHART. ........................................................... 27 2.7. Caracterización del estándar Bluetooth. .................................................................... 29 2.8. Caracterización del estándar IEEE 802.15.6 ............................................................. 30 2.9. Caracterización del estándar IEEE 802.11. ............................................................... 31 2.9.1. Estándar IEEE 802.11ac. .................................................................................... 31 2.9.2. Estándar IEEE 802.11af. ..................................................................................... 33 2.10. Caracterización del estándar IEEE 802.22. ............................................................. 36 2.11 Distribución de los estándares por las distintas capas de la arquitectura de redes. .. 38 2.12 Consideraciones finales. ........................................................................................... 39 Capítulo 3 Contribución de los estándares descritos a la Internet de las Cosas. .................. 40 3.1 Estandarización de arquitecturas para la IoT. ............................................................. 40 3.1.1 Arquitectura de tres capas. ................................................................................... 41 3.1.2 Arquitectura de cinco capas. ................................................................................ 41 3.1.3 Comparación entre las arquitecturas propuestas. ................................................. 43 3.2 Estandarización para las capas de bajo nivel. ............................................................. 44 3.3 Estandarización para las capas de alto nivel. .............................................................. 46.

(11) viii 3.4 Escenario de aplicación que utiliza los estándares descritos. ..................................... 48 3.5 Contribución de los estándares de radio cognitiva para el despliegue de la IoT. ....... 51 3.5.1 Marco de trabajo para la IoT basado en tecnologías cognitivas. ......................... 51 3.6 Consideraciones finales. ............................................................................................. 53 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 54 Conclusiones ..................................................................................................................... 54 Recomendaciones ............................................................................................................. 55 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 56.

(12) i. GLOSARIO. AMCA. Adaptación. de. Multi-canal. Asincrónico. (Asynchronous. multi-channel. adaptation). AP. Punto de Acceso (Access Point).. APO. Objeto de Aplicación (Application Object).. ARM. Modelo de Referencia de Arquitectura (Architecture Reference Model).. BCU. Unidad de Canal Básica (Basic Channel Unit).. BSS. Conjuntos de Servicios Básicos (Basic Service Set).. CAQ. Requerimiento de Canal Disponible (Channel Availability Query).. CCA. Evaluación de Disponibilidad del Canal (Clear ChannelAssessment).. CoAP. Protocolo de Aplicación Restringido (Constrained Application Protocol).. CPE. Equipo Local de Cliente (ConsumerPremise Equipments).. CRN. Redes de Radio Cognitiva (Cognitive Radio Networks).. CSM. Administración de Canal Programado (Channel Schedule Management).. CVO. Objetos Virtuales Compuestos (Composite Virtual Object).. CVS. Señal de Verificación del Contacto (Contact Verification Signal).. DAO. Objeto de Publicidad Destino (Destination Advertisement Object).. DFC. Función de Coordinación Distribuida (Distributive Function Coordination).. DIO. Objetos de Información DODAG (DODAG Information Object)..

(13) ii DIS. Solicitud de Información DODAG (DODAG Information Solicitation).. DODAG. Gráfico acíclico Dirigido Orientado a un Destino (Destination Oriented. Directed Acyclic Graph). DS. Sistemas de Distribución (Distribution Systems).. DSA. Acceso Dinámico al Espectro (Dynamic Spectrum Access).. EDCA. Acceso Distribuido Mejorado al Canal (Enhanced Distributed Channel Access).. FCC. Comisión Federal de Comunicaciones (Federal Communications Commission).. GDB. Base de Datos de Geo-localización (Geolocation Database).. GDD. Base de Datos de Geo-localización Dependiente (Geolocation Database -. Dependent) . HBC. Comunicación del Cuerpo Humano (Human Body Communications).. IPSO. Protocolos de Internet para Objetos Inteligentes (Internet Protocol for Smart. Objects). IoT. Internet de las Cosas (Internet of Things).. LDPC. Chequeo de Paridad de Baja Densidad (Low Density Parity Check).. LLN. Redes de Baja Potencia con Pérdida (Low power and Lossy Networks).. MSDU. Unidades de Datos de Servicio MAC (MAC Service Data Unit).. MU-MIMO Múltiples Usuarios Múltiples Entradas- Múltiples Salidas (Multi-User Multiple-Input Multiple-Output). NCC. Control de Canal de Red (Network Channel Control).. ND. Descubrimiento de Vecinos (Neighbor Discovery).. PDU. Unidad de Datos de Protocolos (Protocol Data Unit).. QoS. Calidad de Servicio (Quality of Service).. RFID. Identificación por Radio Frecuencia (Radio Frequency Identification).. RLSS. Servidor Seguro de Ubicación Registrada (Registered Location Secure Server)..

(14) iii RPL. Protocolo de Ruteo para Redes con Pérdida (Routing Protocol for LLN).. RWO. Objetos del Mundo Real (Real World Objects).. SCH. Control de Cabecera de Supertrama (Superframe Control Header).. TVWS. Espacios en Blanco del Espectro de Televisión (Television White Spaces).. TXOP. Oportunidad de Transmisión (Transmit Opportunity).. WBAN. Redes Inalámbrica de Área Corporal (Wireless Body Area Networks).. WLAN. Redes Inalámbrica de Área Local (Wireless Local Area Networks).. WPAN. Redes Inalámbrica de Área Personal (Wireless Personal Area Networks).. WRAN. Redes Inalámbrica de Área Regional (Wireless Regional Area Networks).. WSAN. Redes Inalámbrica de Sensores / Actuadores (Wireless sensor and Actuator. Networks). WSM. Mapa de los Espacios en Blanco (White Spaces Map).. WSN. Redes de Sensores Inalámbricos (Wireless Sensors Networks).. 6LoWPAN IPv6 sobre WPAN de Baja Potencia (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks)..

(15) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. La Internet de las Cosas (IoT por sus siglas en inglés), consiste en la integración de sensores y dispositivos en objetos cotidianos que quedan conectados a Internet a través de redes fijas e inalámbricas. La IoT como paradigma para la conexión de los objetos cotidianos a internet, está suponiendo una revolución en cuanto a la forma en que se interactúa con el entorno [1]. El término fue acuñado por Kevin Ashton en [2] donde introduce el concepto de conectar todas las cosas que nos rodea con la finalidad de poder contarlas, saber su posición o su estado en cualquier momento así como aportar información sobre el entorno que les rodea [3]. En la actualidad la IoT tiene numerosas aplicaciones entre las que se incluyen la automatización y fabricación industrial, logística, gestión de procesos, transporte inteligente de personas y bienes, cuidado de la salud, entorno inteligente (hogar, oficina, planta) y otros escenarios de aplicación relevantes tanto para la industria como para la sociedad en general. Un requerimiento imprescindible para lograr estas aplicaciones es la interoperabilidad, permitiendo que diferentes tipos de redes se comuniquen entre sí y que dispositivos de diferentes fabricantes puedan operar en la misma red. Los estándares para la implementación de la IoT han comenzado a ser conformados en los últimos años, las propuestas realizadas hasta la fecha tienen como objetivo principal lograr la interoperabilidad [4, 5]. El sistema Bluetooth está diseñado como una Red Inalámbrica de Área Personal (WPAN, por sus siglas en inglés) para habilitar la conexión entre dispositivos de uso personal. Bluetooth [6] se utiliza como un medio para la creación de prototipos de aplicaciones de Redes de Sensores Inalámbricos (WSN, por sus siglas en inglés); el problema fundamental.

(16) INTRODUCCIÓN. 2. que presenta es que Bluetooth no sostiene la alta densidad de nodos en la redes de sensores por lo que es necesario buscar otros estándares como alternativa[4]. Como consecuencia de las limitaciones que presenta Bluetooth, en las últimas décadas se ha desarrollado varios estándares en esta dirección. El estándar IEEE 802.15.4, [7]adecuado para muchas aplicaciones en el hogar que requieren comunicaciones de baja velocidad de datos en una red ad hoc auto-organizada. Por otra parte se ha propuesto el estándar ZigBee [8] que se basa en los niveles PHY y MAC definidos en el estándar IEEE 802.15.4, y surge WirelessHART [9] que es justamente un estándar abierto e interoperable que cumple con un gran número de requerimientos de la industria de procesos. Con WirelessHART se pueden seguir usando las herramientas y procesos existentes, ya que WirelessHART está basado en el protocolo de comunicación HART y es compatible con versiones anteriores [10]. Una red de gran importancia para despliegue de las IoT, sin excluir las WSN, son las Redes de Radio Cognitiva (CRN, por sus siglas en inglés) que se encargan de repartir el espacio radioeléctrico de forma tal que la comunicación entre dos dispositivos se lleve a cabo sin interferencias de terceros. El IEEE 802.22 e IEEE 802.11af emergen para lograr el uso sin interferencias por dispositivos exentos de licencia del espectro que actualmente se destinan a los servicios Televisión [11, 12]. Dada la amplia gama de aplicaciones que aparecen como consecuencia directa de la IoT se define el estándar IEEE 802.11 [13] en sentido general para lograr acceso a Internet en: ciudades, aeropuertos, salones de exposiciones, hoteles, parques, empresas, residencias, comunidades suburbanas, rurales y en conjuntos de condominios, es decir para Redes Inalámbricas de Área Local (WLAN, por sus siglas en inglés). El estándar IEEE 802.11define las funciones de los niveles PHY y MAC y ha ido evolucionando para lograr mayor razón de datos, robustez, confiabilidad, ancho de banda y eficiencia. Al mismo tiempo que se lleva a cabo la estandarización se ha definido un número de protocolos para facilitar la integración de objetos pequeños a Internet. IPv6 Over Low power WPAN (6loWPAN, por sus siglas en inglés[14]), protocolo de capa de adaptación que permite la integración de los objetos inteligentes en Internet, se propone 6LoWPAN en la capa de red, puesto que permite emplear como medio físico el estándar IEEE 802.15.4 y.

(17) INTRODUCCIÓN. 3. a IPv6 como estándar de comunicación. Ha definido mecanismos de encapsulación y compresión de cabecera que permite el flujo de paquetes IPv6 entre redes que trabajan sobre IEEE 802.15.4. Por otra parte el protocolo de enrutamiento de baja potencia para redes con pérdida (RPL, por sus siglas en inglés[15]), ofrece capacidades de auto reparación, permitiendo a los nodos utilizar rutas alternativas cuando haya fallos en sus enlaces, o si unos enlaces son mejores que otros, y reconstruyendo la red cuando muchos de estos fallos hayan tenido lugar siendo de gran uso en las WSN, debido a las limitaciones de memoria y energía que poseen estas redes[16]. Por último el Protocolo de Aplicación Restringido (CoAP, por sus siglas en inglés[17]), es un protocolo de software destinado a ser utilizado en dispositivos electrónicos muy simples, y está dirigido a pequeños sensores de baja potencia, interruptores, válvulas y componentes similares que necesitan ser controlados o supervisados de forma remota, a través de redes de Internet. El principal objetivo de esta primera versión de realización de estándares y protocolos es garantizar que las aplicaciones, dispositivos y diferentes módulos con conectividad, puedan comunicarse de forma eficiente tanto entre ellos como con las redes [18]. Teniendo en cuenta todo lo antes expuesto, se enuncia como problema científico el siguiente: ¿Cuál es el estado de estandarización para la implementación de la Internet de las Cosas? Esta investigación tiene como objeto de estudio las redes inalámbricas que componen la IoT y el campo de acción lo constituyen los estándares para la implementación práctica de la IoT. Por tanto, se propone como objetivo general describir el estado actual del proceso de estandarización para la implementación de la Internet de las Cosas. A partir del objetivo general, se derivan como objetivos específicos los siguientes: -Sintetizar el impacto en la sociedad y en la industria de la implementación práctica de la Internet de las Cosas. -Seleccionar y describir los estándares que posibilitan la implementación práctica de la Internet de las Cosas. -Demostrar la contribución de los estándares descritos al proceso de estandarización de las diferentes arquitecturas existentes y a la creación de plataformas de despliegue para la Internet de las Cosas..

(18) INTRODUCCIÓN. 4. De los objetivos específicos propuestos, surgen las siguientes interrogantes científicas: -¿Cuál es el impacto en la sociedad y en la industria de la implementación práctica de la Internet de las Cosas? -¿Cuáles son los estándares que posibilitan la implementación práctica de la Internet de las Cosas? -¿Cómo contribuyen los estándares descritos a la implementación práctica de la IoT? El trabajo diploma está estructurado de la siguiente forma: resumen, introducción, tres capítulos, conclusiones, recomendaciones y referencias bibliográficas. En el primer capítulo se abordan los principales elementos teóricos concernientes a la IoT y las redes que la componen a partir de la descripción de las características esenciales de las mismas, estructura y aplicaciones fundamentales. En el segundo capítulo se describen los estándares relacionados con la implementación práctica de la Internet de las Cosa. Se identifica los objetivos principales del estándar así como el tipo de red a que están destinados. En el tercer capítulo se expone la contribución de los estándares descritos a la estandarización de una arquitectura para la implementación práctica de la IoT y se presentan plataformas de despliegue..

(19) CAPÍTULO 1. Características Generales de la Internet de las Cosas. 5. Capítulo 1 Características Generales de la Internet de las Cosas El paradigma de la realización de la IoT depende de la integración de los sistemas de Identificación por Radio Frecuencia (RFID, por sus siglas en inglés), las Redes de Sensores Inalámbricas, las nanotecnologías y las tecnologías inteligentes, lo cual convierte la IoT en una tecnología que supone una revolución en cuanto a la forma en que se interactúa con el entorno. A continuación se describe cada una de las redes relacionadas con la implementación práctica de la IoT incluyendo los principales retos en el diseño para aplicaciones futuras. 1.1 Definición de la Internet de las Cosas El concepto de IoT caracteriza la integración de sensores y dispositivos en objetos cotidianos que quedan conectados a Internet a través de redes fijas e inalámbricas. El término fue acuñado por Kevin Ashton en [2] donde introduce el concepto de conectar todas las cosas que nos rodean con la finalidad de poder contarlas, saber su posición o su estado en cualquier momento así como aportar información sobre el entorno que les rodea [3]. La definición de la IoT puede ser vista desde tres perspectivas diferentes dependiendo de las consideraciones del autor: orientada a Internet (middleware), orientada a las cosas (sensors), y orientada a la semántica (knowledge). La IoT solo puede ser implementada en un escenario de aplicación donde los tres paradigmas se intercepten. 1.1.1 Definición de Internet de las Cosas desde la perspectiva orientada a las cosas. La mayor parte de las instituciones coinciden que la perspectiva de las cosas se centra en cómo integrar las cosas en un marco común pero la integración de estos objetos va más allá de un mero enfoque "centrado en RFID", se centran también en un mundo donde las cosas se pueden comunicar de forma automática con las computadoras y otros objetos inteligentes, prestando servicios en beneficio de la humanidad. Se considera, además, que una nueva era de la ubicuidad está llegando donde los objetos conectados a Internet serán contados en miles de millones, y donde los seres humanos pueden llegar a ser la minoría.

(20) CAPÍTULO 1. Características Generales de la Internet de las Cosas. 6. como generadores y receptores de tráfico [4]. Otra perspectiva centrada en las cosas plantea, que el camino hacia su pleno despliegue tiene que empezar por el aumento en la inteligencia de las cosas. La definición de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU, por sus siglas en inglés) de la IoT plantea: "cualquier persona tendrá conectividad para cualquier cosa sin importar la hora ni el lugar". La Comisión Europea por otra parte da una definición similar. Se refiere a “las cosas como los objetos que tienen identidades y personalidades virtuales que operan en espacios inteligentes usando interfaces inteligentes para conectarse y comunicarse en contextos sociales, ambientales y de usuarios” [1, 4]. 1.1.2 Definición de Internet de las Cosas desde la perspectiva orientada a Internet La perspectiva de "Internet" se centra hacia una definición orientada a red. La alianza de Protocolos de Internet para Objetos Inteligentes (IPSO, por sus siglas en inglés) promueve el Protocolo de Internet (IP) como la tecnología de red para la conexión de los objetos inteligentes alrededor del mundo [16]. Según IPSO, la pila IP es un protocolo ligero que ya conecta a una gran cantidad de dispositivos de comunicación. Esto prueba que IP tiene todas las cualidades para hacer de la IoT una realidad. IPSO, garantiza que a través de una adaptación sabia del protocolo de Internet y con la incorporación de IEEE 802.15.4 en la arquitectura IP, el pleno despliegue del paradigma de la IoT se habilitará automáticamente [19]. La IoT se implementa por medio de una especie de simplificación del actual protocolo IP para adaptarlo a cualquier objeto y hacer que esos objetos sean accesibles desde cualquier lugar y tengan una dirección única [20]. 1.1.3 Definición de Internet de las Cosas orientada la semántica. Esta perspectiva indica "una red mundial para interconectar objetos de manera única, basado en protocolos de comunicación estándar" [4]. Según la Plataforma Tecnológica Europea de Integración de Sistemas Inteligentes la idea subyacente en esta perspectiva es que el número de elementos que intervienen en el futuro de Internet está destinado a convertirse en un número extremadamente alto. El desarrollo también creará necesariamente la demanda de una integración mucho más amplia, con diversos recursos externos, tales como almacenes de datos, servicios de información, y algoritmos, que se pueden encontrar en otras unidades de la misma organización, en otras organizaciones, o en.

(21) CAPÍTULO 1. Características Generales de la Internet de las Cosas. 7. Internet. En tales circunstancias, las tecnologías semánticas podrían desempeñar un papel clave en el modelado, descripción de las cosas, el razonamiento sobre los datos generados por la IoT, los entornos de ejecución semántica, arquitecturas que se adaptan a los requisitos de la IoT, el almacenamiento escalable y la comunicación [5]. 1.2. Características de la Internet de las Cosas La IoT puede ser "entidades del mundo real" o "entidades virtuales", las cosas tienen identidades y hay medios para identificarlas automáticamente, son seguras para el medio ambiente y sus representaciones virtuales respetan la privacidad y la seguridad de las otras cosas con que interactúa. Utilizan protocolos para comunicarse entre sí y con la infraestructura, además están involucrados en el intercambio de información real y física; los mundos digitales y virtuales. Investigaciones realizadas por el Grupo de Proyectos Europeos de Investigación sobre la IoT (IERC, por sus siglas en inglés) demuestra que las características comunes de las cosas, se aplican a todas las variedades en la cual se puede utilizar los servicios que actúan como interfaces para los objetos inteligentes, donde estaría compitiendo con otros objetos en recursos, servicios y sujeto a presiones selectivas, además pueden haber sensores adjuntos, por lo que pueden interactuar con su entorno [21]. Otras características indican que las cosas pueden comunicarse entre sí, con dispositivos de computación y con personas, colaborar para crear grupos o redes y no existe inconveniente alguno en que las cosas puedan iniciar la comunicación. Existen en el mundo actual características de las cosas que permiten la realización de muchas tareas de forma independiente, pueden negociar, comprender y adaptarse a su entorno, extraer patrones del ambiente o aprender de otras cosas, tomar decisiones a través de sus capacidades de razonamiento, evolucionar de manera selectiva y propagar la información. Otras características de la IoT dependen del autocontrol de manera que pueden crear, administrar y destruir otras cosas. En la visión de la IoT, es previsible que cualquier objeto tenga al menos un modo único de identificación. Tener la capacidad de direccionamiento, de comunicación con cada cosa y de verificación de sus identidades, tendrá como resultado que todas estas cosas sean capaces de intercambiar información y, si es necesario, ser determinista a la hora de tomar una decisión. También se desea que.

(22) CAPÍTULO 1. Características Generales de la Internet de las Cosas. 8. algunas cosas tengan múltiples direcciones virtuales e identidades para participar en diferentes contextos y situaciones bajo diferentes personalidades. La IoT permite a las personas y cosas conectarse en cualquier momento y lugar, idealmente utilizando cualquier ruta, red o servicio [20-22]. 1.3. Ventajas y desventajas de la Internet de las Cosas La IoT trae consigo beneficios tangibles, tales como la gestión de alta resolución de los bienes y productos, la mejora de la gestión del ciclo de vida y una mejor colaboración entre las empresas. Las capacidades de las redes con sensores integrados y dispositivos inteligentes también permitirán la lógica de negocio que se ejecutará en los bordes de una red, permitiendo algunos procesos de negocio a descentralizarse en beneficio de rendimiento, escalabilidad, y la toma de decisiones a nivel local. Por ejemplo, los algoritmos se podrían utilizar para la toma de decisiones inteligentes basadas en las lecturas en tiempo real de sensores que se utilizan para controlar la salud de los pacientes o el estado de los vehículos, con el fin de detectar los primeros signos de problemas o deterioro de su condición actual [23]. Análisis realizados en la tercera jornada de “The annual Mobile World Congress” celebrado en febrero del 2014 demuestra que mediante el uso de algoritmos de toma de decisiones inteligentes en aplicaciones de software, se puede dar a los fenómenos físicos respuestas rápidas, basado en la última información recopilada sobre las entidades físicas y el examen de patrones en los datos históricos de la aplicación, ya sea por la misma entidad o entidades similares. Estos crean nuevas oportunidades para satisfacer los requerimientos del negocio, la creación de nuevos servicios, relaciones complejas y manejar incidentes. Haciendo uso de la inteligencia en la infraestructura de la red de apoyo, las cosas van a ser capaces de gestionar de forma autónoma su transporte, implementar procesos totalmente automatizados y así optimizar la logística. La infraestructura de la IoT permite combinaciones de objetos inteligentes, que se pueden implementar en espacios inaccesibles o remotos (plataformas de petróleo, minas, bosques, túneles, tuberías.) o en casos de emergencias o situaciones peligrosas (terremotos, incendios, inundaciones, zonas de radiación.)[22, 24]..

(23) CAPÍTULO 1. Características Generales de la Internet de las Cosas. 9. En este contexto la mayor desventaja que puede traer la IoT es la duda de si el mundo está realmente preparado para su implementación, se realiza un análisis basado en la máxima planteada por Hans Vestberg, CEO de Ericsson en el Congreso Oficial de Ingenieros de Telecomunicaciones celebrado en mayo del 2012 en la jornada sobre la IoT en el Instituto de Ingeniería de España: "Si una persona se conecta a la red, le cambia la vida. Pero si todas las cosas y objetos se conectan, es el mundo el que cambia". Aparte de su vertiente tecnológica, IoT supone una transformación de la vida de las personas. Se generan tremendas cantidades de datos e información que circula de forma fluida por Internet y otras redes y es necesario poder identificar de manera unívoca miles de millones de objetos Además, es preciso un incremento de, por lo menos, el mismo orden en las capacidades de transmisión de las redes de datos y en la potencia de procesamiento de los centros de operaciones [20, 25]. La adopción de IoT a escala global obliga a hacer frente a otras cuestiones técnicas como la interoperabilidad y la estandarización, que deberán resolverse a fin de que este nuevo paradigma se implante en su total dimensión. Y, por supuesto, a todos estos retos hay que añadir la obligación de garantizar la protección de datos y la privacidad, elemento indispensable para cualquier avance tecnológico de esta envergadura. 1.4. Aplicaciones potenciales de la Internet de las Cosas. Las potencialidades que ofrece la IoT hacen posible el desarrollo de numerosas aplicaciones, de las cuales sólo unas pocas se despliegan actualmente. En el futuro, habrá más aplicaciones inteligentes para hogares, oficinas, sistemas de transporte, hospitales, empresas y fábricas. La IoT adiciona extensión a las capacidades tradicionales de identificación automática y captura de datos, el término “cosa” es percibido de diferentes formas en dependencia del dominio de aplicación en el cual es usado. En la actualidad existen 36 Plataformas Tecnológicas Europeas (ETP, por sus siglas en inglés) trabajando en las áreas de mayor importancia, además se cuenta con varios proyectos alrededor de todo el mundo para desarrollar aplicaciones relacionadas con la IoT como ejemplo de ellos tenemos: AMI-4-SME en Alemania, CASAGRAS en Estados Unidos y ETP EPoSS en Europa. En los siguientes apartados, se discuten brevemente algunos de los ejemplos de aplicaciones importantes de la IoT..

(24) CAPÍTULO 1. Características Generales de la Internet de las Cosas. 10. 1.4.1.Industria Automotriz. Coches avanzados, trenes, autobuses, así como bicicletas se están equipando con sensores y actuadores con mayores poderes de procesamiento. Aplicaciones en la industria automotriz incluyen el uso de objetos inteligentes para monitorear e informar diversos parámetros de presión en los neumáticos, estado de la batería y la proximidad de otros vehículos [3]. La tecnología RFID ya se ha utilizado para optimizar la producción de vehículos, mejorar la logística, aumentar el control de calidad y mejorar los servicios al cliente. El World Wide Web Consortium (W3C) motivado por el aumento de la demanda de los consumidores de servicios de datos y de los automóviles conectados está colaborando con la industria automotriz ofreciendo a los proveedores de aplicaciones un acceso estándar y más seguro a los datos del vehículo. Los dispositivos conectados a las partes contienen información relacionada con el nombre del fabricante, cuándo y dónde el producto fue hecho, el número de serie, tipo, código de producto, y en algunas aplicaciones la ubicación exacta de la instalación en ese momento. La tecnología implementada proporciona datos en tiempo real en los procesos de fabricación, operaciones de mantenimiento y ofrece nuevas formas de gestionar la energía con mayor eficacia. En algunos sistemas de transporte inteligente se piensa en la posibilidad de aplicaciones como servicios de seguridad de los vehículos y la gestión del tráfico [4]. En la muestra de electrónica de consumo (CES, por sus siglas en inglés) celebrado este año en el mes de enero, en la ciudad de Las Vegas, Nevada, Estados Unidos, grandes fabricantes como BMW, Ford, Volkswagen, Audi y Mercedes han propuesto plataformas como Android Auto y Apple CarPlay para sus nuevos modelos de automóviles sin conductor. 1.4.2. Industria médica y sanitaria La IoT tendrá muchas aplicaciones en el sector de la salud, con la posibilidad de utilizar el teléfono celular con capacidades de sensores RFID como una plataforma para la monitorización de parámetros médicos y la administración de fármacos. La mayor ventaja obtenida es en la prevención y fácil monitoreo de enfermedades, así como proporcionar atención médica inmediata en caso de accidente. La combinación de sensores, RFID, Near.

(25) CAPÍTULO 1. Características Generales de la Internet de las Cosas. 11. Field Communication (NFC), Bluetooth, ZigBee, 6LoWPAN, WirelessHART y WiFi permite mejorar significativamente la medición y métodos de monitoreo de temperatura, funciones vitales, presión arterial, frecuencia cardiaca, los niveles de colesterol y glucosa en sangre [1, 4]. El Hospital Regional Universitario de Lille, en Francia, ha instalado la solución de la empresa Care and Comfort, basada en tecnología de la IoT de Microsoft, para permitir a los pacientes una estancia más agradable en el hospital, así como proveer de información completa sobre el enfermo a los profesionales sanitarios. Dispositivos inalámbricos se utilizan para almacenar los registros de salud que pueden salvar la vida del paciente en situaciones de emergencia, especialmente para las personas con diabetes, cáncer, enfermedades coronarias del corazón, derrame cerebral, enfermedad pulmonar obstructiva crónica, trastornos cognitivos, trastornos convulsivos y la enfermedad de Alzheimer así como personas con complejos implantes de dispositivos médicos, como los marcapasos, prótesis articulares y trasplantes de órganos. Chips biodegradables comestibles se introducen en el cuerpo humano para las acciones guiadas. Personas parapléjicas obtienen los estímulos musculares entregados a través de un sistema de simulación eléctrico implantado con el fin de restaurar las funciones de movimiento [4, 5]. New England Biolabs (NEB) ha implementado la IoT para optimizar y ampliar la oferta de la cadena de suministro en tiempo real de la compañía que le provee enzimas y productos usados en investigaciones basadas en ADN. Los nuevos congeladores para enzimas conectados a la IoT de NEB han sido diseñados para ofrecer a los científicos un acceso mucho más rápido a los productos, algo necesario para acelerar la investigación genómica. 1.4.3. Venta minorista, logística y gestión de la cadena de suministro En este sector se puede hacer la comprobación automática de entrada de mercancías, el seguimiento en tiempo real de las poblaciones, el seguimiento fuera de las reservas o la detección de robo. Por otra parte, la IoT puede ayudar a hacer que los datos de la tienda estén disponibles para optimizar la logística de la cadena de suministro. Si los fabricantes conocen los datos de ventas de los minoristas, se pueden producir y enviar las cantidades adecuadas de los productos, evitando así la situación de la producción excesiva o sobreproducción. En las tiendas, la IoT puede ofrecer muchas aplicaciones como.

(26) CAPÍTULO 1. Características Generales de la Internet de las Cosas. 12. orientación de acuerdo con una lista de compras preseleccionada, soluciones de pagos rápidos, detección de potencial alérgeno en un determinado producto, marketing personalizado y la verificación de la cadena de frío [24]. IBM se ha unido a Weather Co, empresa de análisis meteorológicos, para ofrecer información a minoristas para mejorar sus procesos de logística. Weather Co, mueve sus servicios de datos meteorológicos sobre la nube de IBM, para que sus clientes puedan usar estos datos como herramientas de análisis. Como resultado, las empresas son capaces de combinar la predicción del tiempo en vivo con una serie de datos, por lo que se adaptan rápidamente a los patrones de compra de los clientes o a los problemas de la cadena de suministro relacionados con el clima. 1.4.4. Monitoreo del Medio Ambiente La utilización de dispositivos inalámbricos identificables y otras tecnologías de la IoT en aplicaciones verdes y conservación del medio ambiente es uno de los segmentos de mercado más prometedores en el futuro. En la actualidad ya se cuenta con un aumento en el uso de dispositivos inalámbricos identificables en los programas de medio ambiente de todo el mundo. Esfuerzos de normalización para la RFID y WSN consideran velocidades de datos de hasta 1 Mbps, la integración de sensores heterogéneos y diferentes frecuencias. Esto abre nuevas aplicaciones con un impacto positivo en la sociedad, como la monitorización remota de datos en escenarios de desastres y la banda ancha inalámbrica para las zonas rurales [3, 5]. Líderti Inc. es un Instituto Tecnológico de Educación Superior con sede en Lima, que ofrece soluciones en el desarrollo, suministro, diseño e implementación de equipos, sistemas de monitoreo, sensores y software para el medio ambiente, utilizando para ello tecnología de punta que ofrece ventajas importantes sobre los sistemas tradicionales de monitoreo y medición ya que aportan beneficios sociales, medioambientales y económicos, ayudando a mejorar el entorno urbano, permitiendo disfrutar los espacios de manera sustentable y con mayor calidad de vida..

(27) CAPÍTULO 1. Características Generales de la Internet de las Cosas. 13. 1.5. Redes que componen la Internet de las Cosas. La tecnología inalámbrica es la vía fundamental por la que los “objetos inteligentes” se comunican entre ellos y hacia Internet. En este sentido, cobran importancia WSN como la tecnología que permite la escalabilidad de la IoT y con la funcionalidad suficiente para proporcionar su integración con la arquitectura actual de Internet. Por otra parte con el rápido desarrollo de nuevos dispositivos inalámbricos y aplicaciones, ha existido en la última década una alta demanda del espectro radioeléctrico inalámbrico tal como está sucediendo con la IoT, es aquí donde cobra importancia las Redes de Radio Cognitiva. Con las políticas lo que se busca es una utilización eficiente del espectro radioeléctrico. La radio cognitiva es la clave que habilita tecnológicamente la nueva generación de redes de comunicación, también conocida como redes de Acceso Dinámico al Espectro (DSA, por sus siglas en inglés), para utilizar el espectro más eficientemente sin interferencia con los usuarios finales. 1.5.1. Características principales de las Redes Inalámbricas de Área Personal. En 1999 el IEEE creó el grupo de trabajo IEEE 802.15, dedicado específicamente al estudio de Redes de Área Personal. Generalmente las redes de área personal enfocan su comunicación en un área típica de 10 metros a la redonda, que envuelve a una persona o a dispositivos portátiles personales sin la necesidad de utilizar cables. En las Redes Inalámbrica de Área Personal (WPAN, pos sus siglas en inglés), la comunicación entre dispositivos se realiza de forma peer to peer y no requiere de altos índices de transmisión de datos, lo que implica bajo consumo de energía. Conexiones WPAN involucra muy poca infraestructura y utiliza eficientemente los recursos, por lo que ha creado protocolos simples según la aplicación [26, 27]. El grupo de trabajo IEEE 802.15 ha definido tres clases de WPAN que se diferencian por su rango de datos, consumo de energía y calidad de servicio (QoS, por sus siglas en inglés). Las WPAN con un rango de velocidad elevada (IEEE 802.15.3) diseñado para aplicaciones multimedia que requieren altos niveles de QoS. WPAN de rango medio (IEEE 802.15.1/Bluetooth) que manejarán una cantidad de tareas que van desde teléfonos celulares hasta comunicación entre PDA y tienen QoS apropiada para aplicaciones de voz..

(28) CAPÍTULO 1. Características Generales de la Internet de las Cosas. 14. La última clase de aplicaciones son para dispositivos de baja potencia LR-WPAN donde se incluyen las WSN (IEEE 802.15.4). Avances tecnológicos en comunicaciones inalámbricas, sistemas micro eléctricos mecánicos, y circuitos integrados han habilitado la miniaturización y las nanotecnologías. Nodos sensores se colocan estratégicamente en o alrededor del cuerpo humano para ser usados en aplicaciones de monitoreo de la salud. Esta área de aplicación es llamada Redes Inalámbrica de Área Corporal (WBAN, por sus siglas en inglés) [28]. Las WBAN han revolucionado el futuro de las tecnologías del cuidado de la salud. Para una implementación exitosa de las WBAN se requiere de un modelo estándar el cual habilite las direcciones de las aplicaciones. IEEE 802 ha establecido un grupo de trabajo llamado IEEE 802.15.6 para la estandarización de WBAN. El objetivo de IEEE 802.15.6 fue definir una nueva capa PHY y MAC para WBAN. El actual estándar IEEE 802.15.6 define tres capas PHY: banda ancha (NB), ultra banda estrecha (UWB) y capas de comunicación del cuerpo humano (HBC, por sus siglas en inglés). La selección de cada capa PHY depende de los requerimientos de la aplicación, por otra parte el estándar define un protocolo MAC sofisticado que controla el acceso al canal. La mayoría de estas aplicaciones requiere el despliegue de las WSN, la decisión de la extensión de la red y la cantidad de nodos utilizados se encuentra en relación directa con el tipo de aplicación [28, 29]. Las WSN se caracterizan por su facilidad de despliegue y por ser auto-configurables, pudiendo convertirse en todo momento en emisor, receptor, ofrecer servicios de encaminamiento entre nodos, así como registrar datos referentes a los sensores locales de cada nodo. Las WSN trabajan en la banda de 2.4GHz, por lo que sufren interferencia proveniente de otros sistemas operando en esa misma banda, tales como redes IEEE 802.11 y Bluetooth, lo cual añade otra causa de inestabilidad en los enlaces [30]. Los nodos WSN están típicamente organizados en uno de tres tipos de topologías de red, generalmente en topología tipo malla. Un nodo dispone de recursos limitados, es propenso a fallo, usa mecanismos de broadcast para comunicarse con su entorno, tiene limitada su capacidad de memoria y procesamiento, y se alimentan con baterías. Las aplicaciones requieren que los nodos operen de manera autónoma durante largos períodos de tiempo.

(29) CAPÍTULO 1. Características Generales de la Internet de las Cosas. 15. (meses, incluso años) alimentados por baterías o algún otro medio de obtención de energía, lo cual implica que el requerimiento principal en el diseño de protocolos para estas redes es la eficiencia energética de los nodos. Además, dichas aplicaciones exigen otros requerimientos en cuanto a razón de transferencia de datos (expresada generalmente en kilobits por segundo, Kbps), demora, latencia y fiabilidad, difíciles de suplir con los recursos disponibles [30, 31]. Para el diseño de una WSN hay que tener en cuenta muchos factores, tales como la tolerancia a fallo, escalabilidad, los costes de producción, entorno operativo, topología de red, limitaciones de hardware, medios de transmisión, y consumo de energía. La tolerancia a fallos es un aspecto de suma importancia ya que algunos nodos sensores pueden fallar o ser bloqueados debido a la falta de potencia, tener daño físico o interferencias ambientales. El fallo en unos de los nodos sensores no debe afectar a la tarea global de la WSN, la red debe mantener las funcionalidades sin ninguna interrupción. Además para el diseño de protocolos hay que tener en cuenta el ambiente donde se despliega la red para determinar el nivel de tolerancia a fallos requerido por la WSN [31]. La escalabilidad es otro aspecto a tener en cuenta pues el número de nodos de sensores desplegados en el estudio de un fenómeno puede estar en el orden de cientos o miles. Los nuevos esquemas deben ser capaces de trabajar con este número de nodos y utilizar la naturaleza de alta densidad de las redes de sensores. Las limitaciones de hardware son consecuencias de las componentes básicas de un nodo sensor, en tanto los microcontroladores empleados son de 8 o 16 bits, la capacidad de memoria está en el orden de los kilobytes (KB) y disponen de dispositivos de radio de baja potencia y ancho de banda de hasta 250 Kbps [16]. Los medios de transmisión en una WSN es un aspecto a tener en cuenta en el diseño de la red ya que los nodos de comunicación están unidos por un medio inalámbrico. Estos enlaces pueden estar formados por radio, infrarrojos o medios ópticos. Para habilitar la operación global de estas redes, el medio de transmisión elegido debe estar disponible en todo el mundo. Una opción para los enlaces de radio es el uso de las bandas ISM industriales, científicas y médicas, que ofrecen comunicación sin licencia en la mayoría de los países. Otro posible modo de comunicación directa en WSN es por infrarrojos. La comunicación por infrarrojos es de licencia libre y robusta a la interferencia de los.

(30) CAPÍTULO 1. Características Generales de la Internet de las Cosas. 16. dispositivos eléctricos, el inconveniente, que presenta, es la exigencia de una línea de visión directa entre emisor y receptor [16]. La conservación y la gestión de energía tienen una importancia adicional. Hoy en día muchos de los sistemas WSN están basados en ZigBee debido al bajo consumo de potencia gracias al uso de IEEE 802.15.4 en las capas de bajo nivel. Para extender la vida de la batería, periódicamente un nodo WSN se enciende y transmite datos alimentándose del radio y posteriormente apagándose para conservar energía. La tecnología de radio WSN debe administrar eficientemente la transmisión de una señal y permitir al sistema regresar al modo dormir con un uso mínimo de energía. Esto significa que el procesador involucrado debe ser capaz de despertar, encenderse y volver a dormir de manera eficiente. La compensación de consumo de energía y velocidad de procesamiento es clave al seleccionar el procesador para WSN. 1.5.2. Características principales de las Redes de Radio Cognitiva. Frente a los desafíos sobre cómo mejorar la eficiencia del espectro y cómo hacer realidad la convergencia de redes heterogéneas en las futuras redes inalámbricas, las CRN se proponen como una de las soluciones. Cada país tiene un cuadro nacional de atribución de bandas de frecuencias, conforme lo acordado en las conferencias mundiales de la ITU[11].El espectro electromagnético ha sido escaso para su asignación a las aplicaciones inalámbricas ubicuas. Sin embargo, contrariamente a la escasez física del espectro disponible, estudios realizados por la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC, por sus siglas en inglés) muestra que gran parte del espectro licenciado asignado permanece inutilizado con rangos de utilización desde el 15% al 85%. Con el objetivo de aumentar la eficiencia en la utilización del espectro disponible, la FCC propuso la apertura de ciertas bandas asignadas a la televisión para su uso por usuarios no licenciados, denominados Usuarios Secundarios, mediante técnicas donde se comparte el espectro basado en la oportunidad. También en los Estados Unidos, la Agencia de Proyectos de Defensa de Búsqueda Avanzada (DARPA) ha sido la primera organización en desarrollar nuevas tecnologías que permiten que múltiples sistemas de radiocomunicaciones compartan el mismo espectro mediante mecanismos adaptativos..

(31) CAPÍTULO 1. Características Generales de la Internet de las Cosas. 17. La CR es una tecnología clave en este sentido, un dispositivo de CR es un sistema de radiofrecuencia capaz de variar sus parámetros de transmisión basándose en su interacción con el entorno en el que opera mediante técnicas de muestreo del espectro, debe poseer conciencia de dicho entorno, así como de sus propias capacidades y recursos. Los conceptos fundamentales de las CRN, incluyen el modelo de ciclo cognitivo, la arquitectura de la red, la capacidad cognitiva, las funciones de decisión inteligente y el desarrollo de escenarios de aplicación [12, 32]. La investigación sobre CRN se deriva principalmente del concepto de ciclo cognitivo, en la que los procesos de red inalámbricos se asignan de acuerdo a la teoría cognitiva. Desde el punto de vista de varios autores, se centra en cuatro tareas fundamentales: análisis de la escena de radio, identificación de canales, configuración de control de transmisión de potencia y gestión dinámica del espectro. Por otra parte, el ciclo cognitivo hace hincapié en las funciones de razonamiento y aprendizaje. Sin embargo, todos ellos se centran sólo en el rendimiento del transceptor inalámbrico, lo cual no es suficiente para garantizar el funcionamiento de extremo a extremo de la CRN desde una perspectiva de red. Para analizar la arquitectura de las CRN se debe empezar con la arquitectura de radio, que es un marco con el cual evolucionan las familias de los componentes integrados que sintetizan las funciones especificadas en las normas de diseño. La arquitectura de una CRN se refiere al modo de control, elementos de red y capas de protocolo. El modo de control puede ser clasificado como un modo centralizado, distribuido o híbrido. Los componentes de red se pueden clasificar como componentes primarios de estaciones bases primarias y de usuarios, componentes cognitivos de estaciones base cognitivas y de usuarios, y el corredor de espectro que es el responsable de la compensación de espectro entre diferentes redes [32, 33]. 1.5.3. Características principales de las Redes Inalámbricas de Área Local. Las redes inalámbricas de área local WLAN constituyen en la actualidad una solución tecnológica de gran interés en el sector de las comunicaciones inalámbricas de banda ancha. Estos sistemas se caracterizan por trabajar en bandas de frecuencia exentas de licencia de operación, lo cual dota a la tecnología de un gran potencial de mercado. Originalmente, las WLAN fueron diseñadas para el ámbito empresarial. Sin embargo, en la actualidad han encontrado una gran variedad de escenarios de aplicación, tanto públicos como privados:.

(32) CAPÍTULO 1. Características Generales de la Internet de las Cosas. 18. entorno de grandes redes corporativas, zonas industriales, campus universitarios, entornos hospitalarios, ciber cafés, hoteles, aeropuertos, medios públicos de transporte y entornos rurales. El IEEE ha creado el grupo de trabajo IEEE 802.11 para la estandarización de las WLAN, IEEE 802.11 ha ido evolucionando, perfeccionando e integrando cada uno de los estándares realizados anteriormente para tecnologías inalámbricas. Inicialmente las velocidades del estándar alcanzaban los 2Mbps, en la actualidad la última tecnología Wi-Fi, denominada IEEE 802.11ac ofrece velocidades de hasta 1.3 Gbps, la misma todavía está en desarrollo y esperando por la ratificación del estándar [34, 35]. A fin de entender los aspectos más importantes de las WLAN, se definen como un sistema que incluye los sistemas de distribución (DS, por sus siglas en inglés), los puntos de acceso (AP, por sus siglas en inglés) y las entidades del portal. El medio inalámbrico es utilizado para implementar la transferencia de unidades de datos de protocolos (PDU, por sus siglas en inglés) entre las entidades del nivel físico PHY de una red de área local (LAN). El método de acceso fundamental de la IEEE 802.11 para WLAN es el de Operación de la Función de Coordinación Distribuida (DCF, por sus siglas en inglés). La DFC debe ser implementada en todas las estaciones, para su uso en todo tipo de topologías. Bajo este método de acceso DCF, hay un período de tiempo referido como espacio entre tramas para determinar si un paquete puede ser transmitido. Esto significa que si el medio es censado y está disponible por un tiempo superior al espacio entre tramas, entonces un paquete puede ser transmitido inmediatamente, en este caso por la estación [36]. La autenticación es el primer paso en el proceso mediante el cual una estación se une a una red WLAN. Esta ofrece un mecanismo donde el punto de acceso puede determinar si una estación en particular se puede unir a una red WLAN. Para el diseño de una WLAN hay que tener en cuenta la asignación de un canal a cada AP, los AP son distribuidos para minimizar la interferencia entre cualquiera de ellos que estén operando en el mismo canal, la cantidad de AP y su localización es una función de la razón de datos deseada. Otros aspectos a tener en cuenta son la distancia o alcance de la celda que está en dependencia de la potencia y antena utilizada por el AP, además hay que configurar cada AP, creando un mapa o tabla de direcciones IP [36]..

(33) CAPÍTULO 1. Características Generales de la Internet de las Cosas. 19. 1.6 Consideraciones finales. La IoT se puede definir como la integración de sensores y dispositivos en objetos cotidianos que quedan conectados a internet a través de redes fijas e inalámbricas. Para definir la IoT hay que mirar desde tres perspectivas diferentes: orientada a las cosas, orientada a Internet y orientada a la semántica. Para su total despliegue las tres perspectivas tienen que estar integradas en un marco común. La principal fuerza de la IoT es el impacto que tiene sobre varios aspectos de la vida cotidiana, el comportamiento de los usuarios y la amplia gama de aplicaciones que trae consigo, siendo las más relevantes: la automatización, la fabricación industrial, la logística, la gestión de procesos y el transporte. Implementar las aplicaciones es posible gracias a la conectividad inalámbrica de bajo consumo donde juega un papel importante la integración de las diferentes redes de comunicaciones existentes. Entre las principales redes que componen la IoT se encuentran las WPAN, WBAN, WSN, WLAN, CRN. Esta integración junto con el suministro de datos, proporciona conexiones inalámbricas sencillas y robustas..

(34) CAPÍTULO 2. Descripción. de los estándares relacionados con la implementación práctica 20 de La Internet de las Cosas. Capítulo 2 Descripción de los estándares relacionados con la implementación práctica de La Internet de las Cosas El desarrollo de estándares para la implementación práctica de La IoT, ha establecido un lenguaje común donde múltiples sistemas desarrollados independientemente por distintos fabricantes pueden conectarse entre sí, posibilitando la interoperabilidad con las redes de comunicaciones ya existentes. En este capítulo se abordan las características que presentan los estándares de redes IEEE 802.11, IEEE 802.22, IEEE 802.15.6, IEEE 802.15.4, ZigBee, WirelessHart, Bluetooth, RPL, 6LowPAN y CoAP y se identifica a qué tipo de red está destinado cada uno. Además se explican los objetivos del estándar y las formas en que regulan las capas de la arquitectura de redes a que están destinados. 2.1. Caracterización del protocolo CoAP. El protocolo de aplicación restringida (CoAP, por sus siglas en inglés) es un protocolo especializado para el uso en nodos inalámbricos restringidos y limitados de baja potencia que pueden comunicarse de forma interactiva a través de Internet. Su modelo de interacción cliente / servidor es similar al de HTTP con la diferencia que CoAP realiza estas interacciones (intercambios de mensajes) de forma asincrónica por medio del protocolo de transporte UDP. Los nodos generalmente tienen micro-controladores de 8 bits con pequeñas cantidades de ROM y RAM, mientras que las redes restringidas tales como 6LoWPAN a menudo tienen altas tasas de error de paquetes y una tasa de transferencia exitosa aproximada de 10Kbps [37]. El protocolo está diseñado para aplicaciones máquina a máquina (M2M),donde intervienen las WSN proporciona un modelo de interacción de petición y respuesta entre los puntos finales de la aplicación, soporta una función de descubrimiento de servicios y recursos e incluye conceptos claves de la web. CoAP está diseñado para cumplir con requisitos especializados como soporte multidifusión (multicast), muy bajo costo operativo, y la simplicidad para entornos restringidos [37, 38]..

(35) CAPÍTULO 2. Descripción. de los estándares relacionados con la implementación práctica 21 de La Internet de las Cosas. El intercambio de mensajes en CoAP se realiza usando una capa de mensajes que soporta fiabilidad opcional. Cuando el cliente realiza una petición, mediante una opción que indica el método a utilizar para solicitar un recurso (identificado por una URI), el servidor envía una respuesta con un código que puede incluir una representación de dicho recurso. Esto se realiza utilizando una capa de mensajes que soporta una fiabilidad opcional, los mensajes pueden ser: de confirmación (CON), de no confirmación (NON), de reconocimiento (ACK) e inicialización (RST) [18, 38]. Estos mensajes se encuentran en la cabecera CoAP. Los intercambios básicos de los cuatro tipos de mensajes son ortogonales a las interacciones de petición y respuesta, las peticiones se pueden realizar en los mensajes de confirmación y no confirmación. CoAP utiliza un corto encabezado binario de longitud fija (4 bytes) que puede ser seguido por las opciones binarias compactas y una carga útil. Este formato de mensaje es compartido por las solicitudes y respuestas. Cada mensaje contiene un ID de mensaje utilizado para detectar duplicados y para la fiabilidad opcional. El ID de mensaje es compacto; su tamaño de 16 bits permite hasta 250 mensajes por segundo de un extremo a otro con parámetros del protocolo por defecto [17, 18]. 2.2. Caracterización del protocolo RPL. El IETF reconoció rápidamente la necesidad de formar un nuevo grupo de trabajo para estandarizar una solución de enrutamiento basada en IPv6 para redes de objetos inteligentes IP, lo que llevó a la formación de un nuevo grupo de trabajo llamado ROLL (ruteo sobre redes de baja potencia y con pérdidas) [39]. RPL es un protocolo de enrutamiento por vector de distancia IPv6 para Redes de baja potencia y con pérdida (LLN, por sus siglas en inglés) que especifica cómo construir un Gráfico acíclico Dirigido Orientado a un Destino (DODAG, por sus siglas en inglés) usando una función objetivo y un conjunto de métricas y restricciones. La función objetivo funciona con una combinación de métricas y limitaciones para calcular el "mejor" camino. RPL opera en la capa IP de acuerdo a la arquitectura IP, y por lo tanto permite el encaminamiento a través de múltiples tipos de capas de enlace, en contraste con otras formas de enrutamiento operando en capas inferiores [39, 40]..

(36) CAPÍTULO 2. Descripción. de los estándares relacionados con la implementación práctica 22 de La Internet de las Cosas. RPL permite la construcción de una topología de enrutamiento lógica a través de una infraestructura física ya existente, mediante la construcción de Gráficos acíclicos dirigidos (DAG). Todo el gráfico consta de al menos una instancia. Dentro de una instancia, toda la topología se divide en múltiples DODAG con el fin de proporcionar una mayor escalabilidad y proporcionar requisitos de calidad de servicio. Los nodos envían la información en forma de mensajes de control ICMPv6 conocidos como Objetos de Información DODAG (DIO, por sus siglas en inglés). Los nodos que reciben los mensajes procesan estos mensajes y toman la decisión de unirse a la gráfica o no y también transmiten los mensajes DIO a los nodos vecinos [41]. El protocolo trata de evitar los bucles de enrutamiento mediante el cálculo de la posición relativa de un nodo con respecto a la raíz DODAG. Esta posición se denomina rango y aumenta si los nodos se mueven lejos de la raíz y disminuye cuando los nodos se mueven en la otra dirección [41, 42]. La especificación RPL define cuatro tipos de mensajes de control para el mantenimiento de la topología y el intercambio de información. El primero se llama Objeto de Información (DIO) y es la principal fuente de información de enrutamiento de control. Puede almacenar información como el rango actual de un nodo, la actual Instancia RPL y la dirección IPv6 de la raíz [42]. El segundo se llama Objeto de Publicidad Destino (DAO, por sus siglas en inglés). DAO habilita el soporte de trafico de bajada y se utiliza para propagar la información de destino hacia arriba a lo largo de la DODAG. El tercero se llama Solicitud de Información DODAG (DIS, por sus siglas en inglés) y hace posible que un nodo exija mensajes DIO de un vecino accesible. El cuarto tipo es un DAO-ACK y es enviado por un destinatario DAO en respuesta a un mensaje DAO. La especificación RPL define los cuatro tipos de mensajes de control como mensajes de información ICMPv6 [42]. Otro hecho importante sobre el diseño del protocolo es el mantenimiento de la topología. Dado que la mayoría de los dispositivos en una LLN son típicamente alimentados por batería, es crucial para limitar la cantidad de mensajes de control enviados a través de la red [14]..

(37) CAPÍTULO 2. Descripción. de los estándares relacionados con la implementación práctica 23 de La Internet de las Cosas. 2.3. Caracterización del estándar 6LoWPAN. El grupo de trabajo IETF 6LoWPAN fue creado para habilitar IPv6 específicamente para ser utilizado en redes de dispositivos inalámbricos embebidos. Características del diseño de IPv6 como una estructura de cabecera simple, y su modelo de direccionamiento jerárquico, hacen que sea ideal para este tipo de aplicaciones. Mediante el diseño de una versión del Descubrimiento de vecinos (ND, por sus siglas en inglés) específicamente para 6LoWPAN, las características particulares de las redes inalámbricas de bajo consumo de topología de malla podrían ser tomadas en cuenta. El resultado de 6LoWPAN es la extensión eficiente de IPv6 en el dominio inalámbrico, permitiendo así la creación de redes y la utilización de las características IP de extremo a extremo para una amplia gama de aplicaciones embebidas [14]. Normas 6LoWPAN permiten el uso eficiente de IPv6 a través de redes inalámbricas de baja potencia y baja velocidad en dispositivos simples integrados a través de una capa de adaptación y la optimización de los protocolos relacionados. A través de la experiencia con las implementaciones y despliegues, el grupo de trabajo 6LoWPAN continuó con mejoras de compresión de cabecera, descubrimiento de vecinos, casos de uso y requisitos de enrutamiento [14, 43]. La ubicación de los dispositivos por lo general no está predefinida, ya que tienden a ser desplegados de manera ad-hoc. Por otra parte, a veces la ubicación de estos dispositivos puede que no sea de fácil acceso. Además, estos dispositivos pueden moverse a nuevos lugares. Los dispositivos dentro 6LoWPANs tienden a ser poco fiables debido a varias razones: la incertidumbre en la conectividad de radio, la descarga de la batería, los bloqueos de dispositivos y la manipulación física. En muchos entornos, los dispositivos conectados a una 6LoWPAN pueden dormir por largos períodos de tiempo con el fin de conservar la energía [43]. 6LoWPAN posee una capa de fragmentación y remontaje de acuerdo con las especificaciones de Ipv6. Teniendo en cuenta que en el peor de los casos el tamaño máximo disponible para la transmisión de paquetes IP a través de una trama IEEE 802.15.4 es de 81 octetos, y que la cabecera IPv6 es de 40 octetos de largo, lo que deja sólo el 41 octetos para protocolos de capa superior, como UDP y TCP, por estas razones el estándar utiliza.

(38) CAPÍTULO 2. Descripción. de los estándares relacionados con la implementación práctica 24 de La Internet de las Cosas. mecanismos de compresión de cabecera. 6LoWPAN especifica los métodos para la configuración automática de direcciones IPv6 sin estado, lo que reduce el trabajo de configuración en las estaciones [44]. Funcionalidad de gestión de red es fundamental para 6LoWPANs. El protocolo simple de administración de red (SNMP, por sus siglas en inglés) es ampliamente utilizado para el control de las fuentes y sensores de datos en las redes. A medida que la compresión de cabecera se vuelve más frecuente, el rendimiento general dependerá aún más de la eficiencia de los protocolos de aplicación. Protocolos de peso pesado basado en XML como SOAP (siglas de Simple Object Access Protocol), pueden no ser adecuados para 6LoWPANs, el objetivo en este sentido es especificar o sugerir modificaciones a los protocolos existentes para que sean adecuados para 6LoWPANs [14]. 2.4. Caracterización del estándar IEEE 802.15.4e El IEEE 802.15.4e, fue publicado en 2012 para agregar funcionalidad y rediseñar la capa MAC de la norma anterior IEEE 802.15.4. El objetivo principal del estándar es definir un protocolo MAC de baja potencia, multi-salto, capaz de hacer frente a las nuevas necesidades de las aplicaciones embebidas. Un papel clave en la realización del paradigma de la IoT se jugará por las redes de sensores / actuadores inalámbricos (WSAN, por sus siglas en inglés) que se comportan como una especie de piel digital, proporcionando una capa virtual a través de la cual cualquier sistema computacional puede interactuar con el mundo físico [10, 45]. En la práctica, IEEE 802.1.5.4e toma prestado muchas ideas de las normas existentes para aplicaciones industriales (es decir, WirelessHART e ISA 100.11.a), incluyendo los accesos ranurados, ranuras compartidas y dedicadas, comunicación multicanal, y la frecuencia de salto. Los modos de funcionamiento MAC definidos se describen a continuación. • Identificación de parpadeo por Radio Frecuencia (BLINK).Este modo de funcionamiento está destinado a aplicaciones como identificación de elementos y personas, la ubicación y el seguimiento, BLINK se basa en una trama mínima que consiste solamente en los campos de cabecera que son necesarios para sus operaciones [10]..