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Uso de LPWAN para Edificios Inteligentes y Redes de Comunicación de Edificios

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La conectividad inalámbrica se está convirtiendo en una tecnología clave en el sector de los edificios inteligentes, en rápida expansión. Se conectarán millones de sensores para proporcionar datos sobre la ocupación, la calidad del aire, la temperatura y muchos otros parámetros. También habrá que conectar los actuadores para controlar el acceso a las zonas, abrir y cerrar ventanas y rejillas de ventilación, encender bombas, etc. Estas actividades no necesitan grandes cantidades de datos, pero la conectividad debe ser fiable, rentable y fácil de interconectar con los sistemas de gestión de datos, ya sea in situ o en la nube.

Estos sensores y actuadores pueden conectarse de diferentes maneras. Las conexiones por cable pueden ser sencillas y de bajo consumo, pero su adaptación a los edificios existentes puede resultar costosa. Por ello, muchos desarrolladores de sistemas están buscando sistemas inalámbricos.

El Wi-Fi es una tecnología inalámbrica conocida en los edificios, pero es muy ineficiente en cuanto a la energía, lo que limita la colocación de los sensores/actuadores en los lugares en los que se dispone de energía eléctrica.  Además, las redes de sensores de automatización de edificios suelen mantenerse separadas de las redes Wi-Fi corporativas por motivos de seguridad.

Por ello, las empresas están recurriendo a tecnologías de redes de área amplia de baja potencia (LPWAN) que combinan el largo alcance y la baja potencia necesarios para los sensores de los edificios inteligentes. Las LPWAN permiten colocar los sensores y actuadores, e incluso sustituirlos, en distintas ubicaciones, ya que los lugares de trabajo se reconfiguran con mayor frecuencia. Esto requiere un funcionamiento con baterías de larga duración, lo que impulsa la necesidad de una conectividad de bajo consumo.

Esta capacidad de bajo consumo se consigue mediante protocolos diseñados específicamente para aplicaciones de sensores y actuadores, más que para la transmisión de datos multimedia. Muchas LPWAN operan en las bandas de frecuencia sin licencia de 433MHz y 868MHz en Europa, o de 902 a 928MHz en Norteamérica, así como en las bandas sin licencia de Asia. Estas bandas comunes de sub-GHz ofrecen a los fabricantes economías de escala para reducir el coste de inversión de los nodos inalámbricos y las pasarelas.

Operar en las bandas sub-GHz proporciona a las ondas de radio una mayor penetración a través del aire, pero también de las paredes. Esto significa que una sola pasarela LPWAN puede soportar miles de nodos en un edificio o un alcance de hasta 5 km en la ciudad o 15 km en la zona más amplia. Esto tiene como contrapartida una menor velocidad de transmisión de datos, normalmente inferior a 1kbit/sg, lo que la hace muy adecuada para los nodos de baja potencia necesarios para los edificios inteligentes.

Los protocolos están diseñados para soportar el funcionamiento de bajo consumo de esos miles de nodos con un ciclo de trabajo bajo para que un nodo sólo transmita una fracción del tiempo. Esto reduce el consumo de energía de un nodo y amplía la vida de la batería a varios años, llegando a una década. Esta es una consideración clave para los edificios inteligentes. Si hay miles de sensores inalámbricos en un edificio, sustituir las baterías puede ser un trabajo de tiempo completo y reducir el ahorro de costes que supone tener edificios más inteligentes. Ampliar la vida útil de las baterías al ciclo de sustitución de los propios nodos sensores reduce drásticamente los gastos de explotación (opex) del despliegue de la tecnología.

Los protocolos de la LPWAN también han añadido seguridad de encriptación y autenticación para garantizar que los datos estén totalmente protegidos en toda la red.

Con miles de nodos soportados por una única pasarela con un gran alcance para cada enlace, las LPWAN evitan la necesidad de protocolos de red de malla más complejos que se utilizan en tecnologías como Bluetooth Low Energy (BLE). Requerir que los nodos reenvíen los datos de los vecinos en una red de malla supone una sobrecarga con el enrutamiento de paquetes y aumenta el consumo de energía. En su lugar, se pueden utilizar pasarelas LPWAN adicionales para ampliar la red a un área más extensa. Si se tiene en cuenta el alcance, se puede cubrir una ciudad entera con dos o tres pasarelas, lo que significa que se pueden añadir pasarelas en zonas donde hay una mayor densidad de nodos. Esto proporciona tanto eficiencia en el uso del espectro como un despliegue de bajo coste para los mayores edificios y planificadores de ciudades inteligentes.

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Figura 1. Arquitectura de la red LoRaWAN

Las LPWAN que operan en bandas sin licencia estarán sujetas al ruido de RF. Una LPWAN de calidad debe ser capaz de operar en este tipo de entorno difícil y, al mismo tiempo, mantener una larga duración de la batería y un gran alcance.

Un protocolo LPWAN de estándar abierto, el estándar LoRaWAN®, utiliza un esquema de modulación que proporciona un fuerte rechazo co-canal y de canales adyacentes en la capa física para proteger la señal de radio. El rechazo co-canal con una interferencia de una sola portadora es de 5-19 dB, dependiendo del factor de dispersión (SF), y el rechazo del canal adyacente es de 60-72 dB.

El protocolo utiliza una técnica de modulación de espectro ensanchado derivada de la tecnología Chirp Spread Spectrum (CSS). Esto proporciona un equilibrio entre la sensibilidad y la velocidad de datos, al tiempo que opera en un canal de ancho de banda fijo de 125 KHz o 500 KHz (para los canales de enlace ascendente), y 500 KHz (para los canales de enlace descendente).

LoRaWAN mejora aún más el esquema de modulación implementando un comando de velocidad de datos adaptable (ADR) en la capa MAC. Esto permite al servidor de la red desactivar los canales que se sabe que tienen fuertes interferencias para mejorar la calidad general de la transmisión de paquetes y mejorar la duración de la batería.

El uso de factores de propagación ortogonales para implementar la ADR proporciona una potencia adaptativa para los niveles de potencia y las velocidades de datos de los nodos finales individuales. Por ejemplo, un dispositivo final situado cerca de una pasarela debería transmitir datos con un factor de dispersión bajo, ya que se necesita muy poco espacio de enlace. Sin embargo, un dispositivo final situado a varios kilómetros de la pasarela deberá transmitir con un factor de dispersión mucho mayor. Este factor de dispersión más alto proporciona una mayor ganancia de procesamiento, y una mayor sensibilidad de recepción, aunque la velocidad de datos será, necesariamente, más baja.

Nodo LoRaWAN

Un nodo típico que funciona con el estándar LoRaWAN está formado por el transceptor inalámbrico con antena y un microcontrolador. Los nodos se conectan a una pasarela, ya sea en el edificio como red privada o a una red LPWAN pública.

Una pasarela de red privada en un edificio inteligente se conectaría a un servidor LoRaWAN a través de una conexión Wi-Fi, celular o Ethernet de gran ancho de banda que puede estar separada del sistema informático corporativo. Esto podría funcionar como una red completamente in situ, o puede estar basada en la nube para proporcionar una única consola de gestión en varios edificios.

Las redes LPWAN construidas por la comunidad o propiedad del operador tienen pasarelas instaladas en las zonas urbanas para proporcionar el servicio de red a través de sus propios servidores en la nube. Esto significa que los gestores de edificios sólo tienen que añadir los sensores o actuadores basados en LPWAN sin preocuparse de la infraestructura más amplia.

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Figura 2. Sistema LoRaWAN

Para los gestores de edificios que quieren tener un mayor control de su infraestructura, la nube es un elemento vital. Los proveedores de la nube, como Amazon y Microsoft, han integrado ahora los protocolos LPWAN en sus sistemas para conectar los dispositivos del Internet de las cosas (IoT) a la nube sin necesidad de aprovisionar o gestionar servidores. Esto puede soportar miles de millones de dispositivos, trillones de mensajes y puede procesar y enrutar esos mensajes a los puntos finales de la nube y a otros dispositivos. Esto puede hacerse de forma fiable y segura y comunicarse con todos los nodos.

A continuación, el servicio en la nube puede conectar los datos con otros servicios en la nube. Esto permite el almacenamiento escalable de datos, el aprendizaje automático y las bases de datos para recoger, procesar, analizar y actuar sobre los datos generados por los nodos de un edificio inteligente.

El uso de algoritmos de aprendizaje automático en los datos de varios edificios puede proporcionar más información sobre el funcionamiento de cada edificio y ofrecer una visión detallada de cómo se utiliza el edificio y cómo se pueden optimizar los servicios. Estos datos también pueden utilizarse para el análisis predictivo con el fin de identificar cuándo los equipos del edificio inteligente empiezan a tener problemas, de modo que puedan ser sustituidos antes de que un fallo moleste a los usuarios del edificio.

Los sistemas LPWAN son una parte clave de la infraestructura de los edificios inteligentes y LoRaWAN es cada vez más reconocida como la plataforma de facto para LPWAN. El largo alcance, el bajo consumo y la escalabilidad del protocolo ofrecen a los gestores de edificios una forma de proporcionar los datos de los sensores que constituyen el núcleo de los sistemas. Los diferentes tipos de redes, desde las privadas y las públicas hasta la nube, proporcionan una gama de enfoques de conexión desde los miles de nodos de un edificio inteligente hasta el sistema para hacer uso de los datos. [WORDS 1344]

Autor: Marc Pegulu, vicepresidente de marketing y estrategia de productos IoT del grupo de productos inalámbricos y de detección de Semtech

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