Tecnologías LPWAN: ¿Cuál es la mejor para su aplicación IoT?

En este artículo hablaremos de cómo elegir un Red de área extensa de bajo consumo (LPWAN) para una aplicación masiva de Internet de las Cosas (IoT). Las redes IoT LPWAN se están popularizando debido a su funcionamiento de largo alcance y bajo coste. Para ello, repasaremos brevemente qué impulsa la LPWAN y su emergente popularidad. A continuación, compararemos brevemente las principales tecnologías LPWAN en función de sus especificaciones y aplicaciones. 

¿Por qué es popular la LPWAN? 

LPWAN se ha hecho popular con el avance de las aplicaciones IoT masivas que se extienden a larga distancia. Sin embargo, no es sólo el largo alcance de funcionamiento lo que impulsa la popularidad de LPWAN, sino que también hay otras razones. Las principales razones de la aparición de LPWAN son las siguientes: 

• Protocolos como ZigBee y BLE no son capaces de soportar operaciones de largo alcance 
• Communicación celular de largo alcance como 4G-LTE y 3G consumían demasiada energía a pesar de su buena cobertura 
• El despliegue de la communicación a larga distancia era comparativamente costoso.

Por lo tanto, las razones anteriores dieron lugar a las tecnologías LPWAN que tenían una gran cobertura en un largo alcance, mientras que el consumo de energía baja para el funcionamiento con bajo coste del dispositivo. Estos factores fueron decisivos para la realización de aplicaciones IoT masivas, como las de ciudades inteligentes y agricultura inteligente. Además, se estima que cada vez aparecerán más aplicaciones IoT basadas en LPWAN en la industria, donde 1 de cada 4 Aplicaciones de IoT industrial (IIoT) se basará en LPWAN en 2025.  

En consecuencia, podemos ver que el largo alcance de las operaciones, de hasta 15 km en un entorno rural, y el bajo consumo de energía, que conducen a una vida útil del dispositivo de hasta 10 años, y la baja complejidad del dispositivo, que conduce a un bajo coste del mismo, son las principales fuerzas impulsoras de la popularidad de las aplicaciones IoT basadas en LPWAN. 

Comparación técnica de las distintas opciones de LPWAN 

 Antes de entrar en las distintas opciones de LPWAN, podemos dividir las tecnologías LPWAN en dos categorías distintas, a saber: 

• LPWAN con licencia: se trata de tecnologías LPWAN basadas en el espectro de frecuencias celulares públicas. Algunos ejemplos de LPWAN con licencia son; NB-IoT y LTE-M. 
• LPWAN sin licencia: se trata de tecnologías LPAN basadas en espectro de frecuencias sin licencia. Algunos ejemplos de LPWAN sin licencia son; LoRaWAN y Sigfox. 

La elección entre LPWAN con o sin licencia depende de los requisitos de la aplicación IoT, como la fiabilidad, la seguridad y la movilidad prevista de todo el sistema. Una vez conocidos los conceptos básicos de los distintos tipos de tecnologías LPWAN, vamos a investigar algunas de ellas. 

LoRaWAN es una opción LPWAN famosa y en alza, que facilita el funcionamiento a larga distancia de dispositivos alimentados por batería. Una característica interesante de Dispositivos LoRaWAN es su menor complejidad, que se traduce en menores costes de los dispositivos. Se basa en un espectro de frecuencias sin licencia y es capaz de communicación bidireccional, con buena immunidad a las interferencias. La capacidad de desarrollar redes privadas hace que LoRaWAN destaque sobre las demás opciones LPWAN que consideraremos más adelante en este artículo. 

Sigfox es una tecnología de banda estrecha desarrollada por una empresa emergente en Francia que se adapta mejor a aplicaciones de bajo ancho de banda con una mayor preocupación por el consumo de energía. Al igual que LoRaWAN, Sigfox opera en un espectro de frecuencias sin licencia, pero tiene una capacidad de communicación bidireccional limitada en comparación con LoRaWAN. Por último, Sigfox se está adaptando a aplicaciones IoT en Norteamérica y Europa, y actualmente se está expandiendo a regiones como Asia. 

NB-IoT, sin embargo, es una LPWAN con licencia, que opera en el espectro de frecuencia celular. Puede considerarse la respuesta de los proveedores de redes celulares a la aparición de aplicaciones IoT. Se desarrolla sobre la red celular existente, para permitir aplicaciones IoT de bajo ancho de banda, cobertura profunda y alta eficiencia espectral. Del mismo modo, LTE-M también se basa en el espectro de frecuencias celulares bajo licencia. En comparación con NB-IoT, LTE-M tiene un ancho de banda mejorado y una alta seguridad. 

Opción LPWAN basada en funciones IoT 

Ahora vamos a comparar nuestras opciones LPWAN basándonos en algunas de las características críticas de IoT importantes para nuestras aplicaciones IoT. Estos son algunos de los principales requisitos de muchas aplicaciones IoT en general.  

• Calidad de servicio: La calidad de servicio (QoS) se refiere a la alta recepción de datos con buena immunidad a las interferencias debidas a factores externos y su capacidad para atender diferentes niveles de requisitos de datos del usuario final. LoRaWAN y Sigfox pueden hacer frente a las interferencias en entornos ruidosos, pero utilizan protocolos de communicación asíncronos. Por otro lado, NB-IoT emplea protocolos de communicación síncronos basados en LTE, lo que aumenta su disponibilidad y optimiza los servicios de calidad de servicio. Sin embargo, esto conlleva un coste de implementación. Por lo tanto, para las aplicaciones IoT que requieren una QoS óptima, NB-IoT es la mejor opción. 

•  Movilidad: Se refiere a la capacidad de transmitir datos a nodos finales en movimiento a alta velocidad en una red. LoRaWAN y Sigfox, aunque son capaces de communicarse a larga distancia, no son capaces de procedimientos de traspaso, lo que es inherentemente posible en NB-IoT y LTE-M debido a su uso del espectro de frecuencias celulares y la infraestructura celular existente. 

• Coste: El coste es un factor importante que debe tenerse en cuenta a la hora de desarrollar aplicaciones IoT. En las aplicaciones masivas de IoT, puede evaluarse en tres componentes principales diferentes, a saber: 
  1. Coste del espectro 
  2. Coste de implantación 
  3. Coste del dispositivo 

En cuanto al coste del espectro, naturalmente tanto LoRaWAN como Sigfox no tienen ningún coste adicional de espectro, ya que utilizan espectro de frecuencias sin licencia disponible libremente. Sin embargo, tanto NB-IoT como LTE-M utilizan el espectro de frecuencias con licencia y, por lo tanto, requieren incurrir en un coste para comprar espectro de frecuencias al operador de red o a la regulación de red de esa región. De nuevo, en términos de coste de despliegue, LoRaWAN y Sigfox tienen un coste de despliegue bajo en comparación con NB-IoT y LTE-M. Sigfox tendría el coste de dispositivo más bajo en comparación con LoRaWAN, mientras que el coste de dispositivo para NB-IoT puede ser superior a $10 de alcance. 

• Duración de la batería: Todas las tecnologías LPWAN se encuentran en estado de reposo cuando no están transmitiendo datos a través de la red. Sin embargo, tecnologías como NB-IoT utilizan protocolos de communicación síncronos que requieren energía adicional para inicializar la communicación. Por lo tanto, los dispositivos Sigfox y LoRaWAN de clase A son las mejores opciones para aplicaciones que requieren una buena duración de la batería y un buen rendimiento. 

• Alcance de funcionamiento: LoRaWAN tendría el rango de distancia más bajo de 12-14 km en funcionamiento LOS, mientras que Sigfox tendría un rango de 15-17 km. Sin embargo, NB-IoT tendría un alcance de 20-22 km debido al uso de la infraestructura celular existente. LTE-M, sin embargo, tendría un alcance limitado por la cobertura 4G-LTE de la región. 

• Seguridad: En términos de seguridad de la red, LTE-M ofrece las mejores características de seguridad en comparación con otras tecnologías LPWAN. 

Opción LPWAN basada en la aplicación IoT 

Aunque los distintos factores que hemos visto hasta ahora nos ayudan a determinar la viabilidad de una tecnología LPWAN sobre otra, es una decisión difícil de tomar cuando se trata de una aplicación IoT específica. Por lo tanto, merece la pena investigar las aplicaciones IoT y determinar qué tecnología LPWAN se adapta mejor. 

• Contadores eléctricos 

La medición eléctrica requiere mayores velocidades de transmisión de datos y un buen rendimiento de latencia. Además, cuando se trata de la duración de la batería, estas aplicaciones pueden conectarse a la red directamente en lugar de funcionar con baterías. Dado que LoRaWAN y Sigfox tienen altas latencias y bajas velocidades de datos, podemos confiar en NB-IoT, más fiable y con menor latencia, para realizar este tipo de aplicaciones de medición eléctrica. 

• Agricultura inteligente 

En la agricultura inteligente, necesitamos realizar dispositivos alimentados por baterías que funcionen a larga distancia. Además, estas aplicaciones deben ser asequibles para la mayoría de los agricultores y empresas agrícolas. Por tanto, el coste es un factor crítico. Teniendo en cuenta estos factores, nuestra opción immediate para estas aplicaciones sería LoRaWAN o Sigfox. 

• Edificio inteligente 

Entre ellos, la monitorización de la temperatura del edificio, la humedad y la monitorización de otros electrodomésticos inteligentes. Por lo tanto, no es necesario monitorizar esta información continuamente y tendríamos dispositivos alimentados por batería. Esto nos ayuda a reducir nuestras opciones a LoRaWAN y Sigfox para este tipo de aplicaciones IoT. 

• Industria manufacturera y automatización  

Esto incluye monitorizar las constantes vitales de la maquinaria y controlarlas con precisión. Por lo tanto, necesitamos una monitorización frecuente y una buena QoS para estas aplicaciones. Esto hace que NB-IoT y LTE-M sean las mejores opciones para cumplir estos requisitos. LTE-M puede utilizarse si nos preocupa más la seguridad en mayor medida. 

Conclusión 

En este artículo, hemos analizado brevemente las diferentes opciones disponibles para realizar aplicaciones IoT masivas. En conclusión, podemos decir que la mejor opción es un compromiso de nuestros requisitos, y varía en función de las distintas aplicaciones.