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Opciones inalámbricas para IoT

La conectividad inalámbrica es el facilitador para las aplicaciones de internet de las cosas (IoT). Permite colocar actuadores y nodos sensores donde se necesiten y hacer que se comuniquen con servidores y otros dispositivos cercanos en cuanto están a punto. Pero la conectividad inalámbrica se presenta en muchos formatos. La elección del protocolo de red puede parecer desconcertante en un principio, pero cada uno tiene características que se adaptan a diferentes mercados y aplicaciones. Ahora que el mercado de dispositivos IoT está empezando a madurar, algunos de los protocolos también están empezando a tomar una posición de liderazgo, especialmente para la comunicación inalámbrica de corto alcance. La primera opción es la distancia. Los dispositivos que se usan en edificios a menudo utilizan redes de corto alcance y aprovechan la mayor simplicidad y menor consumo de energía de los protocolos calibrados para este entorno. Normalmente, el instalador cuenta con pasarelas cercanas que transmiten datos a internet.

Los sensores para la agricultura inteligente o para controlar servicios públicos requieren un alcance mucho mayor ya que cualquier dispositivo de pasarela o estación base puede estar a varios kilómetros. En el sector del corto alcance, existen dos tecnologías que están tomando posiciones dominantes en las comunicaciones inalámbricas. Ambas se benefician de ser ya éxitos a gran escala en el mercado de la electrónica de consumo. Y siguen disfrutando de un programa continuado de mejoras. Si bien su protocolo padre se desarrolló para redes de área personal centradas en el teléfono, la creación del Bluetooth de Bajo Consumo ha abierto la puerta a un abanico de aplicaciones mucho más amplio. Anteriormente, los dispositivos IoT podían elegir entre protocolos nicho como Zigbee para la automatización del hogar, o 6LowPAN para la automatización industrial. Ahora el Bluetooth de Bajo Consumo ofrece compatibilidad con 6LowPAN y soporta varias características clave diseñadas originalmente para Zigbee. Una de esas características es la red en malla. El Bluetooth incluye la opción Scatternet desde 2013, que permite que los nodos cambien entre modos maestro y esclavo para hacerlos más flexibles.

Por ejemplo, un nodo inteligente podría recoger datos de varios dispositivos esclavos simples y después transmitir esos datos a un smartphone actuando temporalmente como esclavo. La capacidad de red en malla disponible ahora en el Bluetooth permite extender el alcance de una única pasarela de manera continúa usando nodos intermedios como puntos de montaje para paquetes. El Bluetooth 5, lanzado en el verano de 2016, aportó mejoras que incluían la posibilidad de inter cambiar el alcance por la velocidad de datos máxima. Usando un protocolo adaptable, el alcance se puede extender hasta unas cuatro veces mayor que el del Bluetooth 4.2 con una velocidad de datos de aproximadamente 125 kb/s. En condiciones de visión directa en exterior, este alcance se acerca a los 200 m. Como alternativa, para dispositivos más cercanos entre sí, la velocidad de datos máxima puede llegar a los 2 Mb/s, si bien el sobrecoste de paquetes suele reducir el máximo la velocidad de datos de carga útil alcanzable a unos 1,6 Mb/s. Para el tráfico IoT de alta velocidad de datos, ahora el WiFi ofrece una opción viable.

Los costes de los transceptores han bajado drásticamente y el soporte del protocolo permite usar routers domésticos convencionales para acceder a internet en lugar de depender de pasarelas especializadas. Desde un principio, el WiFi se ha centrado en proporcionar una comunicación de alta banda ancha a dispositivos móviles. La disponibilidad de la banda de 5 GHz además de la de 2,4 GHz industrial, científica y médica (ISM) usada por el protocolo WiFi original, Bluetooth, 6LowPAN y Zigbee, proporciona acceso a una parte menos congestionada del espectro RF. Esto es útil para aplicaciones que necesiten una transferencia de datos continua de alta velocidad. Existen ahora múltiples versiones disponibles de WiFi. Aunque muchas aplicaciones IoT, incluso las que necesitan comunicación de alta banda ancha para audio o vídeo en tiempo real, pueden usar las antiguas variantes de WiFi, hoy en día a menudo vale la pena estandarizar a la variante 802.11ac. Esta versión emite para múltiples antenas que estimulan los la velocidad de datos agregadas al menos en 1 Gb/s en la banda de 5 GHz. Los dispositivos IoT que soportan 802.11ac ayudarán a mantener el la máxima la velocidad de datos posible permitiendo al router doméstico o de oficina que aproveche la diversidad de la antena al máximo. Retroceder a un protocolo más lento y antiguo puede ralentizar toda la red cuando el dispositivo IoT esté activo. Muchos dispositivos IoT soportarán tanto WiFi como Bluetooth, ya que a menudo el coste sólo es ligeramente superior al de un transceptor sólo de WiFi. Esto se puede aprovechar para facilitar tareas como la instalación. Por ejemplo, una conexión Bluetooth simple a una aplicación alojada en un dispositivo móvil se puede usar para configurar el dispositivo.

Una vez configurado, se puede cambiar para usar el protocolo WiFi para transferencia de datos. Otra opción de reciente aparición es el DECT de ultra bajo consumo (ULE). Tiene la ventaja, sobre muchos protocolos de corto alcance IoT, de tener un espectro RF dedicado en lugar de acceso compartido a la banda 2,4 GHz ISM. El alcance de DECT ULE se puede extender hasta 300 m en exterior y 50 m en interior. El protocolo DECT permite que cooperen múltiples pasarelas para extender el alcance de una única red en mucho más de los 300 m básicos. Aunque el DECT se desarrolló originalmente para la telefonía inalámbrica, la versión UE proporciona comunicación de bajo consumo para nodos sensores IoT. En el entorno del corto alcance, la pasarela es controlada normalmente por el usuario. En el entorno del networking de largo alcance de bajo consumo (LPWAN), la pasarela puede ser privada, pero el acceso también puede hacerse a través de redes públicas. Un protocolo que ofrece esa elección es LoRA. A partir de un diseño de transceptor del proveedor de semiconductores Semtech, LoRA utiliza un espectro sin licencia y proporciona a los usuarios la opción de desplegar sus propias pasarelas o hace que sus dispositivos se comuniquen con terceras redes. Algunas ciudades han desplegado redes basadas en LoRa que son de acceso gratuito y han aparecido proveedores de servicios que alquilan el acceso a sus pasarelas.

Para evitar problemas de interferencias de otros usuarios en la misma banda RF, LoRA utiliza un esquema de modulación de espectro ensanchado que soporta la velocidad de datos de 300 b/s a 50 kb/s. El alcance puede ser de hasta 10 km y el uso de frecuencias comparativamente bajas permite llegar a dispositivos enterrados bajo tierra, como los contadores de agua. Sigfox utiliza transmisión de banda ultraestrecha para extender su alcance hasta 50 km en zonas rurales. Mientras que LoRA está diseñado para soportar la comunicación bidireccional, Sigfox está optimizado para transferencias unidireccionales de baja velocidad de datos – normalmente del nodo sensor al servidor. Los datarates oscilan entre 10 b/s y 1 kb/s. Sigfox no es completamente unidireccional: el protocolo soporta el reconocimiento de paquetes para que el nodo sensor determine si una comunicación se ha recibido, y además soporta aplicaciones como las alarmas de seguridad. Una ventaja de que Sigfox se centre en transferencias de datos unidireccionales es que puede ayudar a preservar la energía en el nodo sensor, alargando así la vida de la batería. Si el nodo sólo debe esperar reconocimientos, los cuales se reciben muy poco después de la transmisión, no es necesario que el nodo se despierte en un ciclo regular para escuchar enlaces descendentes de la pasarela.

Mientras que LoRA ofrece la opción de que los usuarios controlen sus propias pasarelas, todas las comunicaciones en Sigfox pasan a través de las propias pasarelas de la empresa. Si bien esto ofrece menor flexibilidad operativa, tiene el beneficio de proporcionar a los usuarios un único proveedor que ofrece soporte de red en un amplio número de países. La conectividad celular ya se utiliza ampliamente para aplicaciones máquina a máquina. En los últimos años, el sector ha incrementado las ofertas básicas de GPRS con una variedad de protocolos que soportan tanto velocidad de datos más altas como operaciones de bajo consumo. Una ventaja clave de la conectividad celular es que los operadores pueden gestionar la congestión y las interferencias mucho más rápido que con un espectro sin licencia, lo cual mejora la fiabilidad a largo plazo. La naturaleza abierta de los propios protocolos proporciona un amplio surtido de módulos RF y de componentes compatibles.

El primer cambio se dio con la Cobertura Mejorada GSM (ECGSM), que incrementa la capacidad de las señales celulares para llegar a nodos distantes o conectarse a nodos sensores. El EC-GSM maneja señales 20 dB más débiles que el GPRS estándar y soporta velocidades de datos de hasta 10 kb/s. La llegada de la Evolución a Largo Plazo (LTE) ha traído consigo varias opciones para la conectividad IoT gracias al uso más eficiente del espectro RF por parte del protocolo 4G. El primero en llegar fue Cat-M, que soporta velocidad de datos de 1 Mb/s tanto para enlaces ascendentes como descendentes usando comunicación semidúplex. Cat-M también ofrece mejoras en el ahorro de energía. En comparación con el protocolo LTE básico usado por los teléfonos móviles, Cat-M funciona con menos actualizaciones desde la estación base. La frecuencia de las actualizaciones se puede reducir hasta el punto de que el nodo sensor sólo se tenga que despertar cada diez minutos aproximadamente, lo cual preserva en gran medida la vida de la batería para dispositivos que monitoricen condiciones poco cambiantes, como la humedad del suelo.

El IoT de banda estrecha (NBIoT) ofrece mejoras adicionales para la eficiencia energética. NBIoT utiliza una banda de transmisión mucho más estrecha que el LTE completo: 1,4 MHz y no 20 MHz. Esto se acompaña de una reducción en la potencia de transmisión para alargar aún más la vida de la batería. En un proceso de mejoras en curso, el Lanzamiento 14 del LTE estándar por parte de 3GPP ha mejorado aún más la eficiencia, soportando técnicas que permiten a los nodos desconectarse rápidamente tras una transmisión para reducir las pérdidas de energía. Son posibles velocidades de datos de 50 kb/s en el enlace descendente y 20 kb/s en el ascendente, que se extienden a 50 kb/s si se usa señalización multitono para el enlace ascendente. Gracias a la amplia selección de protocolos adaptables para IoT, ya sea funcionando en situaciones de largo o corto alcance, los desarrolladores e integradores pueden estar seguros de encontrar uno que se adapte a su aplicación. Los proveedores independientes de módulos como Murata pueden asesorar sobre la mejor opción para cada situación y ofrecer soluciones basadas en el mejor sílice disponible en el mercado.



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