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¿Qué red LPWAN elegir para su proyecto de IoT industrial?
¿LoRaWAN, Sigfox, Nb-IoT, LTE-M o 5G?
En este artículo, nos centramos en las redes LPWAN, creadas en la década de 2010 para satisfacer los requisitos de los objetos autónomos conectados a Internet. Vamos a ver las características de estas diferentes redes para ayudarle a elegir su red LPWAN.
¿Cuáles son las necesidades de las LPWAN?
Hay objetos que necesitan un bajo rendimiento para comunicarse pero un gran alcance combinado con un bajo consumo de energía. Los datos de estos objetos deben enviarse a menudo a través de Internet para ser utilizados: por eso se les llama objetos de Internet o IoT. En realidad, estos objetos de Internet se complementan con otros similares, cuyos datos se envían a redes privadas, autómatas, etc.
Un ejemplo de este tipo de objeto es un sensor subterráneo que mide el consumo de agua en una zona aislada: como no puede conectarse a un enchufe, se alimenta con baterías y tiene que enviar una pequeña cantidad de datos una vez al día a una pasarela situada a varios kilómetros de distancia. Es difícil de acceder y por razones económicas su batería debe durar al menos 5 años.
Hasta 2009, existían redes inalámbricas celulares o WiFi, para los objetos inalámbricos. Pero estas redes tienen dos desventajas: tienen poco alcance y requieren mucha energía.
Por lo tanto, se desarrollarán nuevos protocolos para satisfacer esta necesidad. Permiten transferir sólo pequeñas tasas de datos a grandes distancias, consumiendo poca energía. Dan lugar a las LPWAN, por Low Power and Wide Area Network (redes de bajo consumo y de área amplia).
En 2009 y 2010, Francia vio nacer los protocolos LoRaWAN y Sigfox fuera de las redes celulares (en Estados Unidos, en 2010, la empresa Monnit desarrolló un protocolo similar). A continuación, los operadores de redes celulares tuvieron que dar su respuesta con las redes NB-IoT y LTE-M.
Aunque las redes celulares consumen más energía, son más adecuadas para usos como el seguimiento. Por tanto, las redes celulares y no celulares son complementarias.
Redes LPWAN no celulares Sigfox y LoraWAN
Sigfox y LoRaWAN son dos tecnologías bastante similares. Sigfox permite más fácilmente la itinerancia, mientras que LoRaWAN permite elegir entre una red operada (se paga una suscripción) o una red privada (se invierte en pasarelas).
La red Sigfox
Tarjeta de identidad de la red SIGFOX LPWAN
Sigfox se fundó en Toulouse en 2009 y está especializada en redes de comunicación para el IoT.
Es a la vez un protocolo y un operador de telecomunicaciones. De hecho, Sigfox ha desarrollado su propia red de pasarelas, así como acuerdos en el extranjero. Esto significa que se requiere una suscripción para recuperar datos de un objeto Sigfox.
Sigfox está presente en 72 países y 17,6 millones de objetos utilizan este protocolo.
Cómo funciona la red SIGFOX
La señal de baja velocidad del sensor se envía en una banda libre, la frecuencia de 868 MHz, a la pasarela de la red Sigfox, que luego se enruta a través de Internet a un servidor, el back-end de Sigfox.
Los datos almacenados en este servidor Sigfox deben ser enviados a la plataforma IoT (o extraídos por la plataforma IoT). A continuación, se puede visualizar o generar alarmas. El alcance es de hasta 13 km en zonas abiertas y de 2 km en las ciudades. Los datos no están encriptados.
Cobertura de Sigfox
Para saber si su zona está cubierta, visite el sitio web de Sigfox.
Es bueno saberlo: si su zona no tiene cobertura, puede instalar una pasarela Sigfox en su sitio, la Access Station Micro. Sólo tendrá que conectarlo a Internet para ampliar la cobertura de la red Sigfox.
Una red bidireccional
Sigfox, permite una comunicación bidireccional. Esta comunicación permite enviar un parámetro de configuración a un sensor sin necesidad de desplazarse físicamente. Así, es posible, por ejemplo, aumentar la frecuencia de las lecturas modificando los parámetros del objeto.
El servidor back-end Sigfox
El back-end de Sigfox ofrece una interfaz web para la gestión de dispositivos y la configuración de la integración de datos, así como APIs web basadas en estándares para automatizar la gestión de dispositivos e implementar la integración de datos. Las APIs se basan en peticiones HTTPS REST, como GET o POST y el formato de la carga útil es JSON.
Con la información de back-end se pueden empujar o extraer datos de los sensores hacia o desde una plataforma de visualización de datos.
Geolocalización e itinerancia con Sigfox
Sigfox permite la geolocalización sin GPS con una precisión de entre 10 m y 1 km.
Por lo tanto, es posible seguir el movimiento de un dispositivo equipado con un rastreador inalámbrico Sigfox en toda Europa. En efecto, Sigfox es un operador único presente en varios países y la transferencia de datos de los sensores o rastreadores no se detiene al cruzar una frontera europea.
Por otro lado, si utiliza otras redes LPWAN, tendrá que asegurarse de que existen acuerdos de itinerancia entre el operador nacional y los operadores de los países en los que probablemente se mueva el sensor o rastreador. De lo contrario, no podrá geolocalizar una máquina o un paquete en el extranjero.
La red LoRaWAN LPWAN
La solución LoRaWAN
La tecnología de modulación relacionada con LoRaWAN es LoRa, creada en 2009 por la start-up francesa Cycléo y adquirida por la empresa Semtech en 2012. Semtech cotiza en el NASDAQ.
La señal se envía a una pasarela utilizando el protocolo LoRa y luego desde la pasarela se envía a un servidor que aloja una aplicación que procesará los datos. El alcance es de hasta 15 km en zonas abiertas y de 2 km en las ciudades.
Nota: LoRa representa la capa física de radiofrecuencia y LoRaWAN representa la capa de protocolo.
Una LPWAN bidireccional y una modulación de espectro ensanchado
A veces es interesante actualizar los parámetros o el programa de un sensor inalámbrico. La red LoRaWAN LPWAN permite al sensor no sólo enviar datos, sino también recibirlos. Por lo tanto, no es necesario moverse físicamente para actualizar el sensor.
Por ejemplo, si el sensor sólo se utiliza durante un determinado periodo del año (en verano para gestionar el riego) será posible ponerlo en espera a distancia.
Además, el espectro ensanchado hace que el mensaje transmitido se repita varias veces en diferentes frecuencias, lo que confiere al protocolo una gran inmunidad a las interferencias.
Una solución gratuita y económica: la elección entre la red privada o la operada
LoRaWAN utiliza una banda de frecuencias libres y, por tanto, es gratuita. Por otro lado, para no saturar la frecuencia, la tasa de uso no debe superar el 1%.
El protocolo es sencillo y, por tanto, no requiere componentes electrónicos costosos.
Se necesita una pasarela para pasar la información del sensor: esta pasarela puede ser privada (una solución interesante para 10 o más sensores o si no hay una red operada que cubra la zona) o operada (en este caso, se requiere una suscripción, cuyo coste suele ser modesto).
Recuerde: por razones de confidencialidad de los datos, economía o falta de cobertura de un operador, es posible crear su propia red LoRaWAN privada. Esta es una de las características más apreciadas del protocolo LoRaWAN.
Pasarela LoRaWAN privada instalada en el tejado de uno de los edificios del polígono industrial a cubrir
Una red segura
Los datos de los sensores están encriptados. LoRaWAN implementa varias claves, específicas para cada equipo terminal, con el fin de garantizar la seguridad de los intercambios a nivel de red y de aplicación.
Geolocalización además con LoRaWAN
Esta es la guinda del pastel de LoRa. Con el protocolo LoRa, es posible calcular la distancia entre la antena y la señal (conocemos la hora de salida, la hora de llegada y la velocidad).
Si la señal del sensor es recibida por al menos tres antenas, es posible, mediante la resolución de una simple ecuación, localizar un objeto.
Esta solución es muy interesante para múltiples aplicaciones (prevención de robos, inventario, tasa de ocupación de máquinas móviles como remolques, alquiler de equipos, etc.).
Productos certificados, una garantía de calidad
Varias organizaciones certifican los productos LoRaWAN. Estas organizaciones están autorizadas por la LoRa Alliance ®, una asociación abierta sin ánimo de lucro.
Redes celulares LPWAN LTE-M y NB-IoT
Qué tienen en común las redes NB-IoT y LTE-M. En respuesta al protocolo de banda libre, los operadores celulares están respondiendo con redes LPWAN que utilizan 4G y luego 5G. NB-IoT y LTE-M (o LTE Cat-M1) se caracterizan por su bajo consumo energético en comparación con las redes celulares tradicionales. Al igual que con Sigfox, se requiere una suscripción para recibir datos de los objetos.
Las ventajas de LTE-M sobre NB-IoT
LTE-M es compatible con las redes de telefonía móvil existentes y no requiere la compra de nuevos módems compatibles como NB-IoT.
Con una velocidad de transferencia de datos más rápida que NB-IoT (384 kb/s frente a 100 kb/s), LTE-M ofrece voz a través de la red y puede gestionar la movilidad de los objetos.
La latencia es menor que en las redes no celulares y los protocolos son más seguros.
Por tanto, LTE-M es una solución interesante para vehículos autónomos, aplicaciones de seguridad para trabajadores aislados y para el seguimiento de objetos en movimiento (seguimiento de activos).
En conclusión, LTE-M consume más energía, cuesta más, pero ofrece una alternativa interesante a las LPWAN no celulares para aplicaciones que requieren más rendimiento o menos latencia y mayor seguridad.
Las ventajas de la 5G LPWAN
La 5G puede desplegarse en múltiples frecuencias.
Las bajas frecuencias del 5G, como las utilizadas por SigFox o LoRaWAN, permiten enviar pequeños paquetes de datos a gran distancia con poca energía.
Las altas frecuencias del 5G, en cambio, permiten enviar muchos datos, con tasas de latencia muy bajas, pero requieren más energía.
Ambos protocolos vistos anteriormente, NB-IoT y LTE-M son compatibles con el 5G. LTE-M será el protocolo para velocidades de datos más altas y baja latencia, mientras que BN-IoT satisfará necesidades simples
Ejemplo de aplicaciones para 5G LTE-M
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Coches autónomos
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Seguridad (cámara, vigilancia)
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Seguimiento médico y del paciente
Ejemplo de aplicaciones para 5G NB-IoT
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Sensores meteorológicos
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Medición de la energía
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Gestión de plazas de aparcamiento
Conclusión sobre la elección de la LPWAN
Si tiene que instalar un sensor fijo en uno o varios sitios, opte por una suscripción a LoRaWAN o Sigfox.
Sin embargo, si tiene un sitio con más de 10 sensores, una red LoRaWAN privada será más económica.
Si equipa un dispositivo móvil con un sensor, susceptible de viajar a varios países, la red LTE-M será la más eficiente. Pero si la autonomía es un criterio importante, hay que tener en cuenta a Sigfox.
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