Las tecnologías de redes del IoT han transformado por completo la forma en que nos conectamos e interactuamos en nuestro mundo digital. Hoy en día, los protocolos inalámbricos y los estándares de comunicación desempeñan un papel fundamental en casi todos los aspectos de las implementaciones del IoT, desde ciudades inteligentes y vehículos conectados hasta la monitorización ambiental, entre otros. Según IoT Analytics, el mercado global de dispositivos IoT conectados podría alcanzar... 18.8 mil millones unidades para finales de 2024, un crecimiento del 13 % con respecto a 2023. Mientras tanto, con el aumento explosivo de dispositivos conectados, la necesidad de tecnologías de comunicación robustas, escalables y eficientes es mayor que nunca. En esta publicación, analizamos algunos de los protocolos más utilizados para las comunicaciones IoT. Espero que comprenda mejor las soluciones de red IoT clave antes de tomar decisiones.
Las redes IoT se refieren a cómo los dispositivos IoT se conectan y se comunican entre sí y con los sistemas centrales. Esto crea un ecosistema autónomo de dispositivos inteligentes que trabajan en conjunto.
Normalmente, un ecosistema de IoT consta de cuatro capas principales: dispositivos, datos, tecnologías de conectividad y usuarios. Como puede ver, estas capas constituyen los componentes básicos de una red de IoT, y la arquitectura de red es la columna vertebral que permite una comunicación eficiente entre todos los elementos.
No es de extrañar que las redes IoT necesiten una tecnología de comunicación robusta que permita una conectividad fluida entre dispositivos. Estos protocolos de red cumplen la misma función que el lenguaje en la comunicación humana. En esencia, están diseñados específicamente para los requisitos específicos de los dispositivos IoT. Existen consideraciones especiales en cuanto a consumo de energía, alcance, ancho de banda y densidad de dispositivos. Dados estos requisitos, un aspecto fundamental de la planificación de un proyecto IoT es la elección del protocolo IoT adecuado.
En artículos anteriores, analizamos algunos protocolos de red y sus aplicaciones. Aquí, enumeramos algunas tecnologías inalámbricas de corto y largo alcance ampliamente utilizadas como referencia para su proyecto de IoT.
La tecnología de comunicación inalámbrica de corto alcance se refiere a la tecnología que permite la transmisión inalámbrica a distancias cortas. Normalmente, su alcance de transmisión es de decenas o cientos de metros. Algunos ejemplos comunes incluyen Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee, UWB, NFC y RFID (no hay una introducción detallada aquí).
Bluetooth es una de las tecnologías inalámbricas de corto alcance más comunes. Desde auriculares inalámbricos hasta sistemas para coches, relojes inteligentes y pulseras de actividad, lo vemos por todas partes.
Últimas noticias Estándar bluetooth Se trata de Bluetooth 6.0, lanzado en septiembre de 2024, que incorporó nuevas funciones como la detección de canales Bluetooth. Sin embargo, el estándar más utilizado actualmente es Bluetooth 4.0, 5.0 y superiores. Bluetooth 5.0 ofrece velocidades de transmisión de hasta 2 Mbit/s, mientras que Bluetooth 4.2 ofrecía hasta 1 Mbit/s.
Para abordar la debilidad del Bluetooth en términos de consumo energético, se introdujo Bluetooth Low Energy (BLE). El desarrollo de este protocolo ha sido exitoso y se ha adoptado ampliamente en todo el mundo. Una de las principales razones es que mantiene la compatibilidad con los dispositivos Bluetooth existentes, a la vez que ofrece un consumo energético significativamente reducido.
Debemos comprender que Bluetooth Low Energy está diseñado específicamente para dispositivos de bajo consumo utilizados en el Internet de las Cosas (IoT). No sustituye al Bluetooth clásico existente. BLE utiliza la misma banda ISM de 2.4 GHz que Bluetooth. A diferencia del Bluetooth clásico, que admite hasta 7 dispositivos conectados a un único dispositivo maestro, BLE permite hasta 128 dispositivos. BLE utiliza 40 canales de 2 MHz de ancho y un algoritmo de salto de frecuencia adaptativo para optimizar el rendimiento y minimizar las interferencias.
El Wi-Fi representa el 31 % del total de conexiones IoT. En este artículo, analizaremos la radio Wi-Fi tradicional, así como el Wi-Fi HaLow (802.11ah), diseñado específicamente para aplicaciones IoT de largo alcance y bajo consumo.
WiFi 6 utiliza las mismas bandas ISM de 2.4 GHz y 5 GHz que otros protocolos inalámbricos, y 6E añade compatibilidad con la banda de 6 GHz. El alcance varía considerablemente, desde 10 m en interiores hasta más de 100 m en exteriores, dependiendo de factores ambientales y la potencia de transmisión. A diferencia de la arquitectura punto a punto de Bluetooth, WiFi sigue una topología de red en estrella, donde los dispositivos se conectan a través de un punto de acceso central (router).
WiFi 6/6E (802.11ax), lanzado en 2021, es el estándar más popular actualmente. En cuanto a velocidad, puede alcanzar hasta 9.6 Gbps, más rápido que WiFi 5 (802.11ac), que alcanzaba los 3.5 Gbps. Probablemente hayas visto dispositivos con estándares 802.11ac/n/g más antiguos. Gracias a la retrocompatibilidad del WiFi, estos dispositivos antiguos aún pueden funcionar con los nuevos estándares. Los estándares WiFi más recientes ofrecen un mayor alcance que los anteriores.
WiFi HaLow opera por debajo de 1 GHz. Ofrece mejor penetración en paredes y mayor alcance (hasta 1 km) con menor potencia. Sin embargo, esta tecnología no ha sido ampliamente adoptada en la industria, como hemos visto con Bluetooth LE.
Una cosa importante a tener en cuenta es que WiFi admite cientos de conexiones simultáneas a un único punto de acceso, aunque las limitaciones prácticas a menudo reducen este número en función de la configuración de la red.
ZigBee es un estándar de comunicación inalámbrica de bajo coste y bajo consumo, diseñado para redes de área personal. Se desarrolló específicamente para aplicaciones industriales y de domótica. Si bien ZigBee no es tan común como el wifi, es cada vez más común en los hogares inteligentes, como bombillas, termostatos y sensores de seguridad.
Surgió en 2002, cuando se formó la ZigBee Alliance (ahora Connectivity Standards Alliance). Actualmente, cuenta con la participación de grandes organizaciones como Philips, Texas Instruments, Samsung y Amazon para desarrollar el protocolo ZigBee.
Para ser honesto, ZigBee fue diseñado específicamente para la automatización, con fácil configuración y conectividad del dispositivo, bajo consumo de energía para una batería de larga duración y una seguridad muy sólida.
La arquitectura se basa en el estándar 802.15.4. Lo mejor de ZigBee es que es un protocolo abierto que admite hasta 65,000 XNUMX nodos en una sola red. ZigBee destaca especialmente por sus capacidades de red en malla.
El protocolo ZigBee define tres tipos clave de dispositivos en la red:
Texas Instruments y Silicon Labs son los principales proveedores de chips ZigBee.
UWB (banda ultraancha) es uno de los protocolos de comunicación emergentes. Probablemente aún no lo hayas visto en muchos dispositivos, pero su adopción es cada vez mayor. Desde smartphones hasta llaves de coche, dispositivos domésticos inteligentes y entornos industriales, vemos que UWB aparece cada vez más en la tecnología moderna.
Al igual que otras tecnologías de radio, UWB opera en un espectro definido, pero a diferencia de los sistemas de banda estrecha, distribuye la transmisión en un amplio rango de frecuencia de 3.1 GHz a 10.6 GHz. Tiene un alcance típico de 1 a 50 metros y funciona mejor en la línea de visión entre dispositivos o anclajes.
La banda ultra ancha utiliza canales de al menos 500 MHz de ancho en comparación con los canales de 1 MHz o 2 MHz de Bluetooth. UWB también utiliza transmisión de pulsos ultracortos, lo que le otorga una mayor precisión de posicionamiento que los sistemas de banda estrecha.
La densidad espectral de potencia máxima para la transmisión UWB es de 41.3 dBm/MHz. Esto equivale a aproximadamente 0.5 mW de potencia de transmisión promedio. Esto ayuda a minimizar la interferencia con los sistemas de banda estrecha existentes, como Wi-Fi o Bluetooth. La baja potencia también garantiza la seguridad de la UWB. Las señales son difíciles de interceptar debido a su amplia dispersión de frecuencia y baja densidad de potencia.
| Tecnología | Bluetooth (BLE) | WiFi | ZigBee | UWB |
| Autonomía | 10-100m | 50-100 m en interiores | 10-100m | 10m |
| Velocidad de datos | 1 2-Mbps | Hasta 1 Gbps+ | 250 Kbps | Hasta 27 Mbps |
| Consumo de energía | Muy Bajo | Alto | Muy Bajo | Bajo |
| Banda de frecuencia | 2.4 GHz
| 2.4 GHz, 5 GHz | 2.4 GHz | 3.1, 10.6 GHz |
| Ventajas | - Bajo consumo de energía – Amplio apoyo - Fácil de implementar - Bajo costo | – Alta velocidad de datos – Compatibilidad universal – Opciones de seguridad robustas | - Bajo consumo de energía – Soporte para redes grandes – Malla autocurativa | – Posicionamiento preciso - Alta seguridad – Inmune a las interferencias |
| Desventajas | - Rango limitado – Nodos limitados – Interferencia potencial | – Alto consumo de energía – Duración limitada de la batería - Congestión en la red | – Baja velocidad de datos – Corto alcance – Implementación compleja | – Alcance limitado – Mayor costo – Adopción limitada |
| Aplicaciones clave | Dispositivos portátiles, Hogar inteligente, Posicionamiento en interiores, Seguimiento de activos, Punto de interés | Domótica, transmisión de vídeo, aplicaciones de gran ancho de banda | Domótica, Control industrial, Redes de sensores | Posicionamiento en interiores, seguimiento de activos, acceso seguro |
Ahora centraremos nuestra discusión en las tecnologías inalámbricas de largo alcance y cómo el IoT se ha beneficiado gracias a estos protocolos. Estas tecnologías son la base de las LPWAN, que cubren distancias desde unos pocos kilómetros hasta miles de kilómetros. Aquí, presentaremos LoRa, Sigfox y las redes celulares.
LoRa es un protocolo inalámbrico que ofrece transmisión de datos segura, de largo alcance y bajo consumo. Se basa en la modulación de espectro ensanchado por chirp, lo que permite comunicarse a grandes distancias sin consumir demasiada energía. Une las redes de área local inalámbricas de corto alcance, como Bluetooth y WiFi, con el alcance mucho mayor de las redes celulares.
LoRa y LoRaWAN Fueron desarrollados inicialmente por Cycleo y posteriormente adquiridos por Semtech. Actualmente, la organización sin fines de lucro LoRa Alliance los gestiona. No es de extrañar que se haya convertido en una de las alianzas más grandes de la industria tecnológica. LoRa Alliance no solo apoya a LoRaWAN, sino que también promueve la interoperabilidad de sus productos y tecnologías.
LoRa utiliza bandas de RF sub-GHz (433 MHz, 868 MHz para Europa, 923 MHz para Asia, 915 MHz para Norteamérica y Australia). Estas bandas de frecuencia ISM no requieren licencia y están disponibles para aplicaciones IoT. Su alcance es impresionante, desde 2-5 km en zonas urbanas hasta 15 km o más en entornos rurales.
LoRa representa el protocolo de capa física (capa uno del modelo OSI) que permite la comunicación de largo alcance. Esta capa especifica cómo se transmiten los bits sin procesar a través de un enlace de datos físico entre nodos de red. LoRaWAN, un protocolo de red que opera en la capa tres del modelo OSI, se basa en LoRa y gestiona la comunicación entre los dispositivos finales y un servidor de red central.
Para abordar diversos casos de uso, LoRaWAN define tres clases de dispositivos: dispositivos de clase A (consumo mínimo, todos iniciados por enlace ascendente), dispositivos de clase B (ranuras de recepción programadas) y dispositivos de clase C (escucha continua).
Sigfox es una tecnología LPWAN pionera diseñada para aplicaciones IoT que requieren comunicación de largo alcance con un consumo mínimo de energía. Utiliza tecnología de banda ultraestrecha (UNB), donde cada mensaje ocupa solo 100 Hz de ancho de banda.
El protocolo Sigfox opera en bandas ISM sin licencia (868 MHz en Europa, 915 MHz en Norteamérica) y ofrece velocidades de datos de tan solo 100 o 600 bits por segundo. Esta baja velocidad de transmisión, combinada con el estrecho ancho de banda, resulta en una excelente sensibilidad y un consumo de energía muy bajo. Las transmisiones típicas consumen entre 20 y 30 mA durante unos segundos, lo que proporciona una larga duración de la batería, que a menudo dura años con una sola batería. Puede alcanzar hasta 40 km en zonas rurales y entre 3 y 10 km en entornos urbanos.
Sigfox es un protocolo asimétrico, lo que significa que las capacidades de enlace ascendente y descendente difieren significativamente. Los dispositivos finales pueden enviar hasta 140 mensajes al día, con un límite de carga útil de 12 bytes por mensaje. Los mensajes de enlace descendente están limitados a 8 mensajes al día, con 8 bytes cada uno.
A diferencia de LoRaWAN, Sigfox se diseñó pensando en la simplicidad, concentrando la mayor parte de la complejidad en la red, en lugar de en los dispositivos finales. Este enfoque permite una implementación muy sencilla y energéticamente eficiente en los dispositivos finales.
Las redes celulares gestionan una cantidad increíble de nuestras comunicaciones y son una de las tecnologías de comunicación más fundamentales en nuestro mundo moderno. Desde 2G hasta el último 5G, y tecnologías especializadas centradas en el IoT como LTE-M y NB-IOLas redes celulares representan aproximadamente el 20% de las conexiones globales de IoT.
Las redes celulares operan con una arquitectura celular, donde las áreas geográficas se dividen en celdas. Cada una recibe el servicio de al menos un transceptor fijo, conocido como estación base. Estas celdas trabajan juntas en un patrón de panal para proporcionar cobertura continua en áreas extensas.
La tecnología ha avanzado mucho desde la década de 1980, cuando las redes 1G apenas podían gestionar llamadas de voz. Estamos en la era del 5G (98.3 2023 millones de dólares en 5) y estamos implementando NB-IoT, LTE-M y XNUMXG como parte del ecosistema más amplio del IoT celular. Una de las principales ventajas del IoT celular es la capacidad de aprovechar la infraestructura celular existente y, al mismo tiempo, optimizarla para las necesidades específicas del IoT. Cabe destacar que las redes celulares no son gratuitas.
| Tecnología | LoRa/LoRaWAN | Sigfox | Celular (4G/5G) | NB-IO |
| Autonomía | 2-15km | Hasta 40km | Varios kilómetros | 1-10km |
| Velocidad de datos | 0.3-50 Kbps | 100 bps | Hasta 1 Gbps+ | 250 Kbps |
| Consumo de energía | Muy Bajo | Muy Bajo | Alto | Bajo |
| Banda de frecuencia | Sub-GHz | Sub-GHz | Bandas con licencia | Bandas con licencia |
| Ventajas | - De largo alcance – Excelente duración de la batería – Buena penetración | – Alcance ultralargo – Muy baja potencia – Implementación sencilla | – Cobertura universal - Alta fiabilidad – Alta velocidad de datos | – Buena penetración en edificios – Espectro con licencia – Batería de larga duración |
| Desventajas | – Baja velocidad de datos – Dependencia de la puerta de enlace – Restricciones regionales | – Velocidad de datos extremadamente baja – Se requiere suscripción – Mensajes limitados por día | – Alto consumo de energía - Costoso – Cuotas mensuales | – Dependencia de la red – Mayor latencia – Limitaciones de cobertura |
| Aplicaciones clave | Seguimiento de activos, gestión de aparcamientos, monitorización ambiental, detección agrícola, medición inteligente | Seguimiento de activos, Monitoreo ambiental | Vehículos conectados, Ciudades inteligentes, Aplicaciones móviles | Medición inteligente, seguimiento de activos |
El uso de redes IoT tiene sentido porque permiten conectar y gestionar dispositivos en escenarios complejos. En particular, las redes IoT están creciendo en el mundo conectado, considerando variables como la escala masiva, la diversidad de dispositivos y los requisitos de operación en tiempo real.
La tecnología de conectividad es una de las decisiones más cruciales que deberá tomar al desarrollar un proyecto de IoT. Su elección determinará, en cierta medida, el éxito, el coste y el rendimiento de su proyecto. Antes de profundizar en tecnologías específicas, plantéese estas preguntas esenciales:
¿Dónde se usarán los dispositivos? ¿Se usarán en interiores o exteriores?
¿Qué distancia necesitas cubrir? ¿En metros, kilómetros o algo intermedio?
– ¿Cuántos datos transmitirás y con qué frecuencia?
¿Cuál es tu presupuesto de energía? ¿Usas baterías o estás conectado a la red eléctrica?
– ¿Qué infraestructura de red existe en su ubicación de implementación?
– ¿Cuáles son sus requisitos de seguridad?
– ¿Cuál es su presupuesto tanto para el hardware como para los costos de conectividad continua?
Las tecnologías que cubrimos anteriormente no son una lista exhaustiva de tipos de conexión, pero deberían ayudarle a comenzar a trabajar en casi cualquier proyecto de IoT.
Para las tecnologías de comunicación inalámbrica de corto alcance, WiFi Proporciona transmisión de datos de alto rendimiento. Domina la cobertura de redes inalámbricas en hogares y espacios públicos. Dado que muchos edificios ya cuentan con wifi, es ideal para aplicaciones de IoT como hogares inteligentes, cámaras de seguridad y soluciones de seguimiento integradas.
En el ámbito del consumo, Bluetooth Low Energy Muestra un claro dominio. Se ha convertido en la opción preferida para servicios de localización de corto alcance debido a consideraciones de costo. El mercado lo refleja: los envíos de dispositivos de localización Bluetooth alcanzaron... $255 millones En 2024, el BLE también está creciendo con fuerza en los hogares inteligentes. Con su inclusión en el estándar Matter, veremos surgir aún más aplicaciones para hogares inteligentes.
Zigbee Es otro actor clave imprescindible en los hogares inteligentes. Actualmente se utiliza más en automatización industrial y aplicaciones de hogares inteligentes. La red en malla de Zigbee puede ampliar la distancia de conexión y admitir más nodos de red.
UWB Esta tecnología no ha alcanzado los mismos niveles de adopción que las tres primeras. Su principal ventaja es la precisión de posicionamiento centimétrica. Sin embargo, conlleva costos de implementación relativamente más altos. Esto la hace más adecuada para casos de uso específicos que requieren un seguimiento preciso de la ubicación.
Para tecnologías IoT inalámbricas de largo alcance, LoRa y LoRaWAN Son líderes en numerosas implementaciones de IoT. Ofrecen una cobertura impresionante con un consumo de energía muy bajo. LoRaWAN funciona de maravilla cuando los dispositivos necesitan funcionar con batería durante periodos prolongados y tolera cierta latencia en la transmisión de datos. Esta tecnología se utiliza comúnmente en el rastreo de animales, el rastreo de vehículos, la gestión de estacionamientos, la monitorización ambiental, la detección agrícola y la medición de servicios públicos.
Sigfox Tiene un diseño más optimizado que el de LoRaWAN. Está diseñado para reducir el coste y la complejidad del dispositivo, aunque esto implica sacrificar la velocidad de datos. Si bien Sigfox y LoRaWAN pueden tener propósitos similares en ocasiones, debería optar por LoRaWAN si necesita redes privadas o comunicación bidireccional.
NB-IoT y LTE-M Ofrecen una gran ventaja: pueden utilizar la infraestructura celular existente. Estas tecnologías se solapan con algunas aplicaciones LoRaWAN y Sigfox, especialmente al rastrear activos en amplias áreas geográficas. El sector logístico ha adoptado especialmente las soluciones de rastreo basadas en tecnología celular. Sin embargo, las opciones celulares conllevan costos más elevados debido a las cuotas de suscripción.
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