¿Qué es LPWAN? Introducción a la tecnología de redes de área amplia de bajo consumo

Hoy en día, los notables avances en las tecnologías del IoT han hecho realidad conexiones antes imposibles entre personas y dispositivos. La LPWAN se ha convertido en un tema candente en el mundo del IoT, ofreciendo soluciones antes inalcanzables. Para distancias cortas, teníamos cosas como... Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee y otros. Y para distancias más largas, existían redes celulares 2G, 3G, 4G y similares.

Pero si se analizaran estas tecnologías inalámbricas en función de sus necesidades de energía y alcance, se observaría una brecha en las opciones de bajo consumo y largo alcance. Ese es el nicho donde la tecnología LPWAN encaja a la perfección. Cubre ese vacío de corta duración de batería y gran alcance que faltaba en la gama de opciones de comunicación inalámbrica que teníamos antes.

Que es LPWAN

LPWAN, o Red de Área Amplia de Bajo Consumo (LPWA), es un término relativamente nuevo que no constituye un estándar ni una tecnología única. Es más bien un término general que abarca diversos protocolos propietarios y de código abierto. En esencia, LPWAN se refiere a una familia de redes inalámbricas diseñadas para la comunicación de bajo consumo y largo alcance entre dispositivos.

La distancia de comunicación de las tecnologías LPWAN varía desde unos pocos kilómetros en zonas urbanas hasta 10 kilómetros más en zonas rurales. Esto significa, en esencia, que la comunicación se está volviendo más eficiente y rentable; es decir, que podemos maximizar el alcance con un menor consumo de energía. Se espera que, en un futuro próximo, la tecnología LPWAN se amplíe considerablemente de forma innovadora.

Topología y arquitectura en tecnologías LPWAN

Según su estructura topológica, las LPWAN se dividen en dos categorías principales: estrella y malla. En este sentido, las tecnologías celulares suelen ser universales y admiten movilidad. Las topologías en estrella o estrella-estrella se prefieren para las LPWAN a las redes en malla debido a su rentabilidad.

En el corazón de LPWAN, los demás componentes de una arquitectura LPWAN simple incluyen la conectividad inalámbrica, internet y la nube. La estación base/puerta de enlace recopila datos de numerosos nodos terminales distribuidos remotamente y responde a las entradas de la LPWAN. La estación base/puerta de enlace es el dispositivo de frontera que recibe y demodula estos datos y los envía a través de un enlace de retorno TCP/IP estándar, como Ethernet, una red celular, etc., a un servidor backend.

En el caso de los servicios LPWAN públicos, los datos se reenvían a través de los servidores del operador de red antes de enviarse a la aplicación del usuario final. En las LPWAN de gestión privada, los datos se pueden enrutar directamente al backend predefinido del usuario final. Esto garantiza la privacidad y seguridad de los datos del dispositivo LPWAN.

Estándares LPWAN: LPWA celular y LPWA no celular

Antes de profundizar en las tecnologías LPWAN, es fundamental comprender las principales categorías en las que se dividen. Las LPWAN se pueden clasificar, a grandes rasgos, en dos grupos: las que operan en bandas de frecuencia sin licencia (como LoRa y SigFox) y las tecnologías celulares que operan en bandas de frecuencia con licencia y cumplen con los estándares 3GPP (como LTE-M y NB-IoT). A continuación, exploraremos algunas opciones de tecnología LPWAN implementadas activamente.

LPWAN celular (espectro con licencia)

Las LPWAN celulares requieren autorización de organismos gubernamentales o reguladores y suelen aprovechar la infraestructura de los operadores de red existentes. Sin embargo, requieren una conexión fiable entre el dispositivo y la estación base, por lo que son más adecuadas para zonas densamente pobladas como centros urbanos, zonas residenciales y polígonos industriales. Los estándares de LPWAN celular incluyen EC-GSM-IoT, LTE Cat. M1 (LTE-M) y NB-IoT, que operan dentro del espectro LTE (700 MHz-3.5 GHz).

EC-GSM-IoT

EC-GSM-IoT o GSM IoT de Cobertura Extendida fue introducido inicialmente por 3GPP en la versión 13. Se trata de una tecnología LPWAN celular basada en eGPRS, cuyo objetivo es aprovechar las redes e infraestructura móviles existentes (principalmente 2G/GSM) para establecer comunicaciones IoT remotas. Utiliza espectro licenciado para proporcionar comunicaciones fiables y seguras. En comparación con otras tecnologías celulares, GSM ofrece una cobertura más amplia. Su versión mejorada, eGPRS/EDGE, mantiene esta ventaja a la vez que admite velocidades de datos más altas.

IoT de banda estrecha (NB-IoT)

NB-IO (Internet de las Cosas de Banda Estrecha) es un estándar de tecnología de radio LPWAN desarrollado por 3GPP para la conexión de dispositivos IoT. Como tecnología CIoT de 3GPP, NB-IoT define con mayor precisión la interfaz inalámbrica para la comunicación IoT, en comparación con EC-GSM-IoT y LTE-M. Opera dentro de bandas de espectro con licencia, y utiliza un ancho de banda estrecho de aproximadamente 180 kHz. NB-IoT se estandarizó mediante la colaboración entre 3GPP y los principales proveedores de equipos de telecomunicaciones, como Nokia, Huawei y Ericsson.

LTE-M

LTE-M (LTE-Máquina a Máquina), también conocida como eMTC (Comunicación Tipo Máquina Mejorada), es otra tecnología IoT LPWAN 3GPP derivada de LTE. Admite velocidades de datos y movilidad más altas (hasta 350 km/h) que NB-IoT. LTE-M opera en espectro con licencia y coexiste con redes celulares 2G, 3G, 4G y 5G.

LTE-M se denominó inicialmente MTC de bajo costo en la versión 3 de 12GPP y posteriormente se renombró como eMTC en la versión 13. Las mejoras en las versiones 3 y 14 ampliaron las capacidades de LTE-M. Las versiones 15 y 14 permitieron mejorar la cobertura con movilidad. La versión 15 añadió la capacidad VoLTE (Voz sobre LTE). La versión 16 se basó en estas funciones con nuevos casos de uso para dispositivos IoT de mayor movilidad. La versión 5 continuó la evolución con mejoras para la coexistencia con la Nueva Radio (NR) XNUMXG.

LPWAN no celular (espectro sin licencia)

Las LPWAN no celulares operan en bandas de frecuencia ISM sin licencia y no dependen de la infraestructura del operador de red. Los dispositivos transmiten datos directamente o a través de puertas de enlace a servidores de aplicaciones/red. Además de LoRa, otras LPWAN no celulares incluyen Sigfox, Weightless, RPMA, Symphony Link, Wize y DASH7, entre otras, que utilizan la banda de frecuencia sub-GHz con velocidades de comunicación que oscilan entre ~100 bps y 250 kbps y distancias de 2 km a 100 km. Las LPWAN no celulares se suelen implementar en zonas remotas con cobertura celular limitada, regiones montañosas, islas y para implementaciones de redes empresariales dedicadas.

LoRa/LoRaWAN

LoRa es la especificación PHY de la pila de protocolos, que se refiere específicamente a la modulación patentada Chirp Spread Spectrum desarrollada por Semtech. LoRaWAN El estándar define el protocolo de capa MAC y la arquitectura del sistema que opera por encima de la capa PHY de LoRa, mantenido por LoRa Alliance, que está creciendo rápidamente con casi 500 empresas miembro a nivel mundial.

LoRa está diseñado principalmente para la comunicación de enlace ascendente desde múltiples dispositivos finales a las puertas de enlace, utilizando mensajes codificados a través de diferentes canales y velocidades de datos para reducir las colisiones y aumentar la capacidad de la puerta de enlace. Es ideal para aplicaciones que requieren pequeñas cargas de datos y comunicaciones poco frecuentes, tanto en zonas urbanas como rurales/remotas. Una sola puerta de enlace LoRaWAN puede gestionar conexiones desde numerosos nodos y dispositivos finales.

Sigfox

Sigfox es una de las tecnologías LPWAN no 3GPP que ha tenido una adopción generalizada. Se trata de una tecnología LPWAN propietaria que lleva el nombre de la empresa Sigfox, que la introdujo por primera vez. Utiliza radio de banda ultraestrecha para lograr una conectividad IoT inalámbrica de alcance ultralargo y bajo consumo.

Sin embargo, el estrecho ancho de banda de Sigfox limita considerablemente la capacidad de enlace descendente para transmitir datos a los dispositivos. Además, la banda ultraestrecha puede generar posibles problemas de interferencia. A pesar de estas limitaciones, Sigfox sigue siendo un actor destacado en LPWAN y ha logrado una sólida implantación en Europa.

Ligeras.

El Grupo de Interés Especial Weightless (GIE Weightless) se fundó en 2008 con el objetivo de estandarizar la tecnología LPWAN. Entre los miembros promotores del grupo se encuentran Accenture, M2COMM, ARM, Telensa y Sony Europe.

Weightless consta de tres variantes adaptadas a diferentes escenarios de aplicación: Weightless-W, Weightless-N y Weightless-P. Weightless-W opera en la banda de espacio blanco de TV (TVWS) y presenta una implementación más compleja. Weightless-N es similar a Sigfox, ya que es un protocolo de banda estrecha que opera en la banda sub-GHz sin licencia, utilizada por NWave. En general, Weightless-N y Weightless-P han recibido mayor atención e implementación que Weightless-W.

Enlace sinfónico

Symphony Link es un protocolo LPWAN desarrollado por Link Labs, empresa miembro de la LoRa Alliance. Si bien Link Labs utiliza los chipsets de capa física LoRa de Semtech, ha implementado su propia pila de software de capa MAC personalizada, Symphony Link, en lugar de usar la especificación abierta LoRaWAN.

En comparación con el estándar LoRaWAN, las diferencias clave en Symphony Link son algunas capacidades de red mejoradas, como la entrega confiable de mensajes y la expansión dinámica de la red mediante la adición de puertas de enlace.

Aplicaciones de las tecnologías LPWAN

La LPWAN es la mejor opción en cuanto a alcance y consumo de energía. Su uso permite recopilar datos de sensores de forma remota y realizar seguimiento a largas distancias. En esta sección, exploraremos algunos de sus casos prácticos.

Medición inteligente de gas y agua

Los sistemas automatizados de lectura de medidores utilizan redes LPWAN para la recopilación remota e inalámbrica de datos de consumo de servicios públicos, como electricidad, gas y agua. Ya no era necesario que los operadores revisaran y registraran los datos manualmente. Los usuarios también pueden ver la cantidad de datos de consumo que utilizan diariamente.

Edificios inteligentes

Dentro de los edificios, las LPWAN se utilizan en instalaciones residenciales, comerciales e industriales para aumentar su inteligencia. En entornos domésticos, los dispositivos inteligentes como cerraduras inteligentes, sistemas de climatización (HVAC) e iluminación se pueden integrar y gestionar de forma centralizada mediante LPWAN. En edificios de oficinas y comerciales, la LPWAN permite centralizar la monitorización de la ocupación de espacios y de sistemas de seguridad como sensores de puertas.

Gestión inteligente de residuos

La gestión inteligente de residuos se está utilizando cada vez más en iniciativas de ciudades inteligentes. Los sensores instalados en los contenedores de basura pueden monitorizar los niveles de llenado y transmitir datos por LPWAN al sistema central. Cuando se alcanzan los niveles de llenado predeterminados, se generan alertas para la recolección y eliminación oportunas. Además, es posible obtener información de ubicación de los camiones de basura equipándolos con rastreadores LPWAN.

Aparcamiento Inteligente

En los sistemas de estacionamiento inteligente, la tecnología LPWAN permite la monitorización y gestión en tiempo real de la ocupación de las plazas de aparcamiento. Los sensores instalados en las plazas detectan con precisión el estado de ocupación. Los usuarios pueden consultar la disponibilidad de plazas de aparcamiento mediante una aplicación móvil y pagar a distancia.

Agricultura inteligente

Las LPWAN se están expandiendo a los sistemas de agricultura inteligente. Los agricultores pueden instalar diversos sensores (humedad del suelo, temperatura, humedad, luz, etc.) en sus campos. Posteriormente, pueden recopilar datos de forma remota desde dichos sensores mediante LoRaWAN u otras LPWAN como NB-IoT.

Comparación popular entre LPWAN con licencia y sin licencia

Dadas las numerosas tecnologías LPWAN disponibles, una selección acertada es crucial. Según las estimaciones de investigación de mercado de IoT Analytics, para 2024, más de un 97% De los sistemas LPWAN se implementarán utilizando tecnologías LTE-M, NB-IoT, Sigfox o LoRa. Por lo tanto, compararemos las cuatro principales tecnologías LPWAN: NB-IoT, LTE-M, Sigfox y LoRa.

Tabla comparativa de NB-IoT vs LTE-M vs LoRaWAN vs Sigfox

Cómo elegir la LPWAN correcta

NB-IoT es una tecnología LPWAN 3GPP que aprovecha las redes LTE/GSM existentes para proporcionar conectividad de bajo ancho de banda a dispositivos IoT. Mejora el consumo de energía de los dispositivos, la capacidad del sistema, la eficiencia del espectro y el rendimiento de la cobertura profunda, ideal para casos de uso de IoT en la industria, la automatización de edificios, las ciudades inteligentes, la monitorización de la salud y la respuesta ante desastres.

LTE-M se dirige a aplicaciones similares a NB-IoT, pero con mayor ancho de banda para permitir mayores velocidades de datos y mayor seguridad, aunque con un mayor consumo de energía. Es ideal para aplicaciones que requieren mayor rendimiento, como la videovigilancia, donde las restricciones de energía son menos estrictas.

Sigfox y LoRaWAN son tecnologías no 3GPP que operan en espectro sin licencia. Sus estrechos anchos de banda permiten un funcionamiento con consumo ultrabajo para transmisiones poco frecuentes de carga útil pequeña desde terminales que requieren una batería de varios años de duración, pero con bajas restricciones de velocidad de datos. Sigfox prioriza el bajo consumo y una implementación sencilla, pero carece de enlace descendente para actualizaciones de firmware. LoRaWAN admite la gestión bidireccional de dispositivos a bajo coste. Ambas son compatibles con la agricultura inteligente, el seguimiento de activos y escenarios relacionados de monitorización de IoT de bajo rendimiento.

LPWAN es el futuro

Como nueva tecnología en rápida evolución, el panorama LPWAN se encuentra en fase de desarrollo y aún no ha alcanzado su madurez. Con numerosos participantes en el mercado, aún no se han definido claramente los ganadores, especialmente dado el incierto ritmo de expansión del mercado. El rendimiento a largo plazo de cada variante de LPWAN también sigue siendo incierto, ya que muchas aún se encuentran en las fases iniciales de implementación y carecen de pruebas exhaustivas a gran escala en condiciones reales.

De hecho, una investigación de ABI Research indica un aumento proyectado en la adopción de dispositivos IoT, con un estimado 5.3 mil millones Se prevé que los dispositivos IoT aprovechen las tecnologías LPWAN para 2030. Es prometedor que LPWAN sea el dominio de conectividad de más rápido crecimiento en el mercado. Este crecimiento se debe a la demanda de casos de uso como la monitorización remota, que requieren transmisiones de datos poco frecuentes y funcionamiento con batería, características para las que las tecnologías LPWAN son especialmente adecuadas.

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