Qué significa para la comunicación inalámbrica basada en IoT

La creciente adopción de tecnologías del Internet Industrial de las Cosas (IIoT) ha intensificado la necesidad de comprender mejor cómo funcionan los sistemas IoT, qué opciones existen en el mercado y qué los diferencia en términos de rendimiento. Cuando se utiliza tecnología IoT para monitorear los riesgos de activos o infraestructuras críticas, todos estos elementos contribuyen a garantizar operaciones fiables. En particular, la tecnología de red LoRa suele considerarse la solución industrial más común para conectar sensores inalámbricos y transmitir datos.
En este artículo, Albert Zaragoza, CTO del líder global en IoT Worldsensing, analiza las opciones de conectividad y ofrece detalles sobre cómo hacer que los sistemas de red sean más comprensibles.

P: Cada vez más sectores industriales están adoptando tecnologías IoT para mejorar sus programas de gestión de riesgos, optimizar sus operaciones y reducir costes. Desde un punto de vista técnico, ¿cuáles son los retos actuales del IoT?

El IoT ha sido ampliamente adoptado por muchos sectores y empresas, pero no podemos olvidar que el ecosistema aún es joven. Muchos proveedores de tecnología IoT son relativamente nuevos frente a los desafíos que supone desarrollar hardware, comunicaciones y software.
La interoperabilidad —es decir, la capacidad de intercambiar y utilizar información— entre todos los nodos y sensores de distintos fabricantes es un reto evidente. Todavía estamos lejos de lograr que diferentes plataformas, estructuras de datos e interfaces intercambien información de forma eficaz en beneficio del usuario final.
La seguridad es otro reto que no solo debería preocupar al ecosistema IoT, sino a cualquier empresa en el mundo. Es necesario adoptar mecanismos de cifrado que garanticen la integridad de los datos, y los usuarios finales deben tener pleno control sobre quién puede ver y operar con sus datos.
Además, los datos IoT se transmiten a través de redes inalámbricas, y uno de los desafíos clave es garantizar que una gran cantidad de dispositivos sensores puedan transmitir datos sin pérdida de información debido a congestión de red, interferencias o ataques externos.
Sin duda, se avecinan tiempos desafiantes pero apasionantes en el ámbito del IoT.

P: Para conectar de forma inalámbrica dispositivos alimentados por batería a Internet en redes regionales, nacionales o globales, se necesita un sistema de comunicación por radio. ¿Existe una variedad de sistemas o redes para ello? ¿Podría explicarlo?

Entender el problema que estamos intentando resolver o los requisitos del caso de uso es clave para seleccionar la tecnología adecuada para el trabajo. Existen muchas tecnologías de comunicación inalámbrica, pero podemos dividirlas en tres grupos:

• Corto alcance,
• Celular,
• Largo alcance.

Las tecnologías de corto alcance incluyen opciones como Bluetooth, NFC/RFID o Zigbee, entre muchas otras, pero definitivamente no están adaptadas a escenarios que requieren comunicaciones a larga distancia.
Las tecnologías celulares (2G, 3G, 4G, etc.) pueden ofrecer una mayor cobertura, pero también consumen mucha energía del dispositivo, por lo que no son ideales para su uso con dispositivos de bajo consumo.
Las características mencionadas anteriormente, junto con las necesidades de muchos casos de uso industrial en IoT, han estimulado el desarrollo de una nueva generación de tecnologías de comunicación inalámbrica conocidas como redes de área amplia y bajo consumo o LPWAN (Low-Power Wide-Area Network). Algunos ejemplos de implementaciones LPWAN son Narrowband IoT (NB-IoT), Sigfox o LoRa, por nombrar algunos. Estas tecnologías son ideales para entornos industriales y están ganando popularidad debido a sus características de comunicación de largo alcance, bajo consumo y bajo coste.

P: Entonces, según esto, LoRa es uno de los protocolos disponibles para las comunicaciones LPWAN. ¿Por qué Worldsensing ha decidido usar LoRa y no alguna de las otras redes que ha mencionado?

Nuestros clientes necesitan monitorear operaciones que requieren una amplia cobertura de comunicación y una excelente disponibilidad de conexión al mismo tiempo. Para garantizar esto, debemos tener en cuenta cuatro factores importantes, siendo el primero la cantidad de datos que se pueden transmitir. El volumen de datos tiene un impacto directo en el consumo energético de los dispositivos sensores, que funcionan con baterías y deben durar varios años. El alcance, es decir, la distancia que recorren los datos, también influye en la vida útil de la batería. Por último, la facilidad de despliegue es fundamental cuando se trabaja en entornos industriales.
La tecnología LoRa nos ofrece el equilibrio adecuado entre todos estos elementos, en particular:

• Cobertura: garantiza una transmisión a larga distancia, con un alcance comprobado de hasta 15 km o 9 millas.
• Bajo consumo energético: la vida útil de la batería es de hasta 10 años.
• Eficiencia de costes: especialmente en el monitoreo a largo plazo, la tecnología LoRa puede resultar más rentable que las soluciones tradicionales al reducir la necesidad de mano de obra.
• Escalabilidad: añadir y/o sustituir nodos en la red a medida que el proyecto evoluciona es un proceso sencillo y transparente para el operador, manteniendo la integridad de los datos.
• Fiabilidad: está comprobado que es robusta y ofrece una fuerte protección contra interferencias.
• Seguridad: la protección y privacidad de los datos se garantizan mediante cifrado AES de 128 bits en múltiples niveles para toda la información enviada desde los sensores hasta el servidor de aplicaciones y viceversa.

Además, LoRa es una tecnología de capa física que modula señales en las bandas de frecuencia sub-GHz industriales, científicas y médicas. Esto nos permite crear y desplegar redes privadas en las ubicaciones de nuestros clientes, sin restricciones. Esto representa una gran ventaja frente a Sigfox y Narrowband Internet of Things, que están controlados por operadores de red.
Contar con la certificación y el programa de cumplimiento de la LoRa Alliance, que garantiza la interoperabilidad de todos los productos y tecnologías LoRaWAN®, también es muy beneficioso para el ecosistema. Esta comunidad se está convirtiendo en la alianza más grande y de mayor crecimiento en el sector tecnológico. Trabaja constantemente en mejorar las capacidades de la tecnología LoRa: recientemente nos sorprendió cuando estableció un récord mundial de distancia en transmisión de datos.
En resumen, con LoRa podemos asegurar la disponibilidad y mejorar la precisión de los datos, lo cual es muy importante para nosotros para atender de forma eficaz a nuestros clientes y socios.

P: ¿Existen otros elementos que puedan impactar significativamente el rendimiento y la calidad de la transmisión de datos?

Cuando se habla de cómo diferentes componentes y dispositivos se comunican de forma inalámbrica dentro de una red IoT, definir y seleccionar la estrategia de topología adecuada es clave. Las topologías difieren mucho en la forma en que ofrecen características como seguridad, consumo de energía, coste y complejidad, por lo que elegir la correcta es esencial para evitar problemas a largo plazo.
Al diseñar una solución de red inalámbrica para IoT, existen dos topologías principales que se pueden usar: estrella y malla. Una topología en estrella organiza los dispositivos alrededor del controlador central, también conocido como gateway. Por otro lado, una topología en malla conecta cada dispositivo con otro mediante un enlace punto a punto.

Podemos enumerar las siguientes ventajas y desventajas para cada topología cuando se aplican a escenarios de redes inalámbricas IoT.
Ventajas de malla:

• Gestiona grandes volúmenes de tráfico. Varios dispositivos pueden transmitir datos simultáneamente.
• La falla de un dispositivo no provoca una interrupción en la red ni en la transmisión de datos.
  Es necesario implementar mecanismos de autocuración en la red.

Topología en malla - Desventajas:

• Muy costosa de instalar. Especialmente en escenarios de larga distancia, la cantidad de repetidores necesarios aumenta rápidamente.
• Configuración complicada y gestión de red, debido al alto número de conexiones.
• Alto consumo de energía. A pesar de la baja potencia de transmisión, los nodos deben estar activos y atentos a cada mensaje que necesitan retransmitir.
• Vulnerabilidad a ataques de seguridad. Una brecha en uno de los nodos pone en riesgo toda la red.

Topología en estrella - Ventajas:

• Los costos de instalación y el esfuerzo están controlados debido a la menor complejidad para configurar la red. El concentrador se instala en un punto central y los nodos se añaden según sea necesario durante la vida útil del proyecto.
• La red puede ampliarse fácilmente. Los nuevos nodos se conectan directamente al concentrador sin afectar al resto de la red.
• Menor consumo de batería de los nodos. Puede controlarse mejor, ya que se calcula fácilmente según la cantidad de comunicación con el concentrador.
• Resiliencia. El mal funcionamiento de un solo nodo no afecta al resto de la red.

Topología en estrella - Desventajas:

• En redes pequeñas, el costo del concentrador puede representar una inversión considerable.
• Punto único de fallo. El mal funcionamiento del concentrador provoca la caída de toda la red. Elegir un socio experto con soluciones robustas comprobadas y mecanismos de monitoreo fiables es crucial.

P: ¿Existen aplicaciones o sectores específicos donde el uso de LoRa sea más adecuado o pueda traducirse en un beneficio significativo?

En general, LoRa es ideal para proyectos complejos que presentan desafíos de monitoreo muy específicos, como las operaciones de minería a cielo abierto que suelen cubrir grandes áreas o grandes proyectos de construcción.
En proyectos de túneles y construcción, donde los puntos de monitoreo suelen estar distribuidos a lo largo de varios kilómetros, los operadores necesitan que los datos se transmitan a largas distancias mediante dispositivos que requieren muy poca energía y no dependen de la cobertura de señal. Esto es, de hecho, un requisito del mercado geotécnico en general. Debemos tener en cuenta que, en particular para la construcción de túneles, la dimensión de cada proyecto suele superar los 3 km (1,9 millas), y la distancia entre puntos de monitoreo también puede ser significativa (más de 100 m o 110 yardas).
Obviamente, esto también es válido para el monitoreo de infraestructuras y activos críticos donde no se puede permitir ninguna interrupción del servicio debido al impacto que esto supondría. Estos activos dependen de la transmisión de datos para gestionar operaciones que requieren un rendimiento continuo y sin interrupciones.
LoRa será beneficioso siempre que se necesite un programa de monitoreo en tiempo real y fiable para garantizar la integridad de cualquier estructura, como puentes, presas, edificios u otra infraestructura.
Además, LoRa ofrece la posibilidad de desplegar redes privadas, permitiendo al usuario tener control e independencia de los grandes operadores de red. Para proyectos donde esto es un requisito, LoRa es la opción más adecuada.

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