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

Hoy, Los notables avances en las tecnologías de IoT han hecho realidad las conexiones que alguna vez fueron imposibles entre individuos y dispositivos.. LPWAN se ha convertido en un tema candente en el mundo de IoT, ofreciendo soluciones antes inalcanzables. Para distancias cortas, teníamos cosas como Wifi, Bluetooth, Zigbee y otros. Y para distancias más largas, había 2G, 3GRAMO, 4Redes celulares G y similares..

Pero si observamos estas tecnologías inalámbricas en función de sus necesidades de energía y alcance, Notarías que había una brecha para el bajo consumo., opciones de largo alcance. Ese es el nicho en el que la tecnología LPWAN encaja perfectamente. Llena esa batería de corta duración, vacío de larga distancia que faltaba en la gama de opciones de comunicación inalámbrica que teníamos antes.

¿Qué es LPWAN?

LPWAN, o Red de área amplia de bajo consumo (a veces también llamado LPWA) es un término relativamente nuevo que no es un estándar ni una sola tecnología. En lugar, Es más un término general que incluye varios protocolos propietarios y de código abierto.. En esencia, LPWAN se refiere a una familia de redes inalámbricas diseñadas para bajo consumo de energía., comunicación de largo alcance entre dispositivos.

La distancia de comunicación de las tecnologías LPWAN varía desde unos pocos kilómetros en áreas urbanas hasta 10 más kilómetros en zonas rurales. Básicamente, esto significa una comunicación para volverse más eficiente y rentable. – es decir. Podemos maximizar el alcance con menos consumo de energía.. Se supone que en un futuro próximo, LPWAN adoptará una aplicación más amplia de una manera mucho más innovadora.

Topología y arquitectura en tecnologías LPWAN.

De la estructura topológica, Las LPWAN se pueden dividir en dos categorías principales: estrella y malla. A este respecto, Las tecnologías celulares suelen ser universales en este sentido y respaldan la movilidad.. Se prefieren las topologías en estrella o estrella a estrella para las LPWAN a las redes en malla debido a su rentabilidad..

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

Para servicios públicos LPWAN, Luego, los datos se reenvían a través de los servidores del operador de red antes de enviarse a la aplicación del usuario final.. En LPWAN de gestión privada, los datos se pueden enrutar directamente al back-end predefinido del usuario final. Esto garantiza que los datos del dispositivo LPWAN sean privados y seguros..

Estándares LPWAN: LPWA celular y LPWA no celular

Antes de profundizar en las tecnologías LPWAN, Es crucial comprender las categorías principales a las que pertenecen.. Las LPWAN se pueden clasificar en términos generales en dos grupos: aquellos que operan dentro de bandas de frecuencia sin licencia (como LoRa y SigFox), y tecnologías celulares que funcionan dentro de bandas de frecuencia autorizadas y se adhieren a los estándares 3GPP (como LTE-M y NB-IoT). Debajo, Exploraremos algunas opciones de tecnología LPWAN implementadas activamente..

LPWAN celular (Espectro con licencia)

Las LPWAN celulares requieren autorización de organismos gubernamentales o reguladores y normalmente aprovechan a los operadores de red existentes.’ infraestructura. sin embargo, Requieren una conexión confiable entre el dispositivo y la estación base., por lo que es más adecuado para áreas densamente pobladas como centros urbanos, zonas residenciales, y parques industriales. Los estándares celulares LPWAN incluyen EC-GSM-IoT, Gato LTE. M1 (LTE-M) y NB-IoT, operando dentro del espectro LTE (700MHz-3,5 GHz).

EC-GSM-IoT

EC-GSM-IoT o GSM IoT de cobertura extendida fue introducido inicialmente por 3GPP en su versión 13. Es una tecnología celular LPWAN basada en eGPRS, Con el objetivo de aprovechar las redes e infraestructuras móviles existentes. (principalmente 2G/GSM) para establecer comunicaciones remotas de IoT. Utiliza espectro licenciado para proporcionar comunicaciones confiables y seguras.. En comparación con otras tecnologías celulares, GSM ofrece una cobertura más amplia. Su versión mejorada, eGPRS/EDGE, mantiene esta ventaja al mismo tiempo que admite velocidades de datos más altas.

IoT de banda estrecha (NB-IoT)

NB-IoT (Internet de las cosas de banda estrecha) es un estándar de tecnología de radio LPWAN desarrollado por 3GPP para conectar dispositivos IoT. Como tecnología CIoT 3GPP, NB-IoT define aún más la interfaz inalámbrica para la comunicación IoT en comparación con EC-GSM-IoT y LTE-M. Operar dentro de bandas de espectro autorizadas, Utiliza un ancho de banda estrecho de alrededor de 180 kHz.. NB-IoT se estandarizó gracias a la colaboración entre 3GPP y proveedores líderes de equipos de telecomunicaciones como Nokia., Huawei, y ericsson.

LTE-M

LTE-M (LTE-Máquina a Máquina), también conocido como eMTC (Comunicación tipo máquina mejorada), es otra tecnología 3GPP LPWAN IoT derivada de LTE. Admite mayores velocidades de datos y movilidad (hasta 350 kilómetros por hora) comparado con NB-IoT. LTE-M opera en espectro licenciado, coexistiendo con 2G, 3GRAMO, 4GRAMO, y redes celulares 5G.

LTE-M se denominó inicialmente MTC de bajo costo en la versión 3GPP 12 y luego se le cambió el nombre a eMTC en la versión 13. Las mejoras en las versiones 3GPP han ampliado las capacidades de LTE-M. Lanzamientos 14 y 15 soporte habilitado para niveles de cobertura mejorados con movilidad. Liberar 14 agregado VoLTE (Voz sobre LTE) capacidad. Liberar 15 construido sobre estos con nuevos casos de uso para dispositivos IoT de mayor movilidad. Liberar 16 continuó la evolución con mejoras para la convivencia con 5G New Radio (NR).

LPWAN no celular (Espectro sin licencia)

Las LPWAN no celulares operan dentro de 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/redes.. Además de LoRa, Otras LPWAN no celulares incluyen Sigfox, Ingrávido, RPM, Enlace sinfónico, y mago, DASH7, etc.. Utilizando la banda de frecuencia Sub-GHz con velocidades de comunicación que van desde ~100bps a 250kbps y distancias de 2km a 100km.. Las LPWAN no celulares generalmente se implementan en áreas 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, refiriéndose específicamente a la modulación patentada Chirp Spread Spectrum desarrollada por Semtech. los LoRaWAN El estándar define el protocolo de capa MAC y la arquitectura del sistema que opera sobre la capa LoRa PHY., mantenido por la Alianza LoRa, que está creciendo rápidamente con casi 500 empresas miembro a nivel mundial.

LoRa está destinado principalmente a la comunicación de enlace ascendente desde múltiples dispositivos finales a puertas de enlace., Usar 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 muy adecuado para aplicaciones que requieren pequeñas cargas de datos y comunicaciones poco frecuentes tanto en áreas urbanas como rurales/remotas.. Una única puerta de enlace LoRaWAN puede manejar conexiones desde numerosos nodos y dispositivos finales.

sigfox

Sigfox es una de las tecnologías LPWAN no 3GPP que ha experimentado una adopción generalizada.. Es una tecnología LPWAN patentada que lleva el nombre de la empresa Sigfox que la introdujo por primera vez.. Utiliza radio de banda ultraestrecha para lograr un alcance ultralargo, Conectividad IoT inalámbrica de bajo consumo.

sin embargo, El estrecho ancho de banda de Sigfox limita severamente la capacidad del enlace descendente para transmitir datos a dispositivos. Y la banda ultraestrecha puede provocar posibles problemas de interferencia.. A pesar de estas limitaciones, Sigfox sigue siendo un actor destacado de LPWAN y ha ganado terreno con éxito en Europa.

Ingrávido

El grupo de interés especial ingrávido ( SIG ingrávido) se estableció en 2008, con el objetivo de estandarizar la tecnología LPWAN. Los miembros del grupo promotor incluyen Accenture., M2COMM, BRAZO, Su teléfono, y Sony Europa.

Weightless consta de tres variantes diseñadas para diferentes escenarios de aplicación.: Sin peso-W, Sin peso-N, y sin peso-P. Weightless-W opera en el espacio en blanco de la televisión (TVWS) banda y tiene un despliegue más complejo. Weightless-N es similar a Sigfox, ser un protocolo de banda estrecha que se ejecuta en la banda sub-GHz sin licencia, utilizado por NWave. En general, Weightless-N y Weightless-P han recibido más atención y despliegue en comparación con Weightless-W.

Enlace sinfónico

Symphony Link es un protocolo LPWAN desarrollado por Link Labs, una empresa miembro de la Alianza LoRa. Mientras que Link Labs utiliza los conjuntos de chips de capa física LoRa de Semtech, han implementado su propia pila de software de capa MAC personalizada llamada Symphony Link, en lugar de utilizar la especificación abierta LoRaWAN.

Comparado 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

LPWAN es el ganador en cuanto a alcance y consumo de energía. La utilización de LPWAN permite recopilar datos de sensores de forma remota y realizar un seguimiento a largas distancias.. En esta sección, Exploraremos algunos de sus casos de uso práctico..

Medición inteligente de gas y agua

Los sistemas automatizados de lectura de medidores utilizan LPWAN para la recopilación inalámbrica remota de datos de consumo de servicios públicos, incluida la electricidad., gas, y agua. Atrás quedaron los días en que los operadores verificaban y registraban los datos manualmente. Los usuarios también pueden obtener visibilidad de la cantidad de datos de consumo que utilizan diariamente..

Edificios inteligentes

Dentro de los edificios, Las LPWAN se utilizan en viviendas, comercial, e instalaciones industriales para hacerlas más inteligentes. Configuración en el hogar, Dispositivos domésticos inteligentes como cerraduras inteligentes., Sistemas HVAC, y la iluminación se puede integrar y gestionar de forma centralizada a través de LPWAN. En edificios de oficinas y comerciales, LPWAN permite centralizar el monitoreo de la ocupación del espacio y los sistemas de seguridad como sensores de puertas..

Gestión inteligente de residuos

La gestión inteligente de residuos se utiliza cada vez más en iniciativas de ciudades inteligentes. Los sensores instalados dentro de los botes de basura pueden monitorear los niveles de llenado, transmitir datos a través de LPWAN al sistema central. Cuando se alcanzan niveles de llenado predeterminados, Se generan alertas para su recolección y eliminación oportuna.. Además, Es posible adquirir información sobre la ubicación de los camiones de residuos equipándolos con rastreadores LPWAN..

Aparcamiento inteligente

En sistemas de aparcamiento inteligentes, La tecnología LPWAN permite monitorizar y gestionar en tiempo real la ocupación de las plazas de aparcamiento. Los sensores instalados en las plazas de aparcamiento pueden detectar con precisión el estado de ocupación. Los usuarios pueden consultar el estacionamiento disponible a través de una aplicación móvil y pagar el estacionamiento de forma remota..

Agricultura inteligente

LPWAN se está expandiendo hacia sistemas de agricultura inteligente. Los agricultores pueden instalar varios sensores (humedad del suelo, temperatura, humedad, ligero, etc.) en el campo. Luego pueden recopilar datos de forma remota desde esos sensores utilizando LoRaWAN u otras LPWAN como NB-IoT..

Comparación popular de LPWAN con licencia y sin licencia

Dadas las numerosas tecnologías LPWAN disponibles, una selección juiciosa es crucial. Según IoT Analytics’ estimaciones de investigación de mercado, por 2024, encima 97% de los sistemas LPWAN se implementarán utilizando LTE-M, NB-IoT, sigfox, o tecnologías LoRa. Por lo tanto, compararemos la parte superior 4 Tecnologías LPWAN: NB-IoT, LTE-M, sigfox, y lora.

Una tabla comparativa de NB-IoT vs LTE-M vs LoRaWAN vs Sigfox

Tomar la decisión correcta sobre LPWAN

NB-IoT es una tecnología LPWAN 3GPP que aprovecha las redes LTE/GSM existentes para proporcionar conectividad de bajo ancho de banda para dispositivos IoT.. Mejora el consumo de energía del dispositivo., capacidad del sistema, eficiencia del espectro y rendimiento de cobertura profunda, traje industrial, automatización de edificios, ciudad inteligente, Casos de uso de IoT para monitoreo de salud y respuesta a desastres.

LTE-M apunta a aplicaciones similares a NB-IoT pero con mayor ancho de banda para permitir mayores velocidades de datos y una seguridad más estricta., aunque a niveles de consumo de energía más altos. Se adapta a aplicaciones que requieren un mayor rendimiento, como la monitorización por vídeo, donde las limitaciones 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 de energía ultrabajo para transmisiones poco frecuentes de carga útil pequeña desde puntos finales que requieren una duración de batería de varios años., pero con limitaciones de baja velocidad de datos. Sigfox prioriza el bajo consumo y la implementación simple, pero carece de enlace descendente para actualizaciones de firmware. LoRaWAN admite la gestión bidireccional de dispositivos a bajo coste. Ambos pueden servir a la agricultura inteligente, seguimiento de activos y escenarios relacionados de monitoreo de IoT de bajo rendimiento.

LPWAN es el futuro

Como nueva tecnología en rápida evolución., El panorama LPWAN se encuentra en un estado de desarrollo y aún no ha madurado.. Con numerosos participantes en el mercado, Los ganadores no han sido claramente establecidos., especialmente dado el ritmo incierto de la expansión del mercado. El rendimiento a largo plazo de cada variante LPWAN también sigue siendo incierto, ya que muchos todavía se encuentran en las fases iniciales de despliegue y carecen de una estrategia integral, pruebas del mundo real a gran escala.

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 en 2030. Es prometedor que LPWAN sea el dominio de conectividad de más rápido crecimiento en el mercado.. Lo que impulsa este crecimiento es la demanda de casos de uso como el monitoreo remoto., que requieren transmisiones de datos poco frecuentes y funcionamiento con batería, características que las tecnologías LPWAN son particularmente adecuadas para abordar.

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