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IoT (Internet de las cosas): Selección del protocolo inalámbrico IoT y características de la banda de frecuencia.

Ricardo Carrasco
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Selección del protocolo inalámbrico IoT y características de la banda de frecuencia.

IoT (Internet of Things) es una red creciente de objetos, dispositivos y máquinas, cada uno capaz de comunicarse entre sí mediante una red inalámbrica para acceder a Internet. Los dispositivos IoT tienen una gama flexible de opciones de conectividad por cable e inalámbrica.  Los protocolos de IoT utilizan principalmente frecuencias de banda ISM 4.33GHz , 915MHz, 2.4GHz a 5GHz. 

Características de las diferentes bandas de frecuencia: 

  • Frecuencias más bajas (por ejemplo, 433 MHz, 868 MHz): mayor alcance, mejor penetración, menor velocidad de datos. 

  • Frecuencias más altas (por ejemplo, 2,4 GHz, 5 GHz): Menor alcance, velocidades de datos más altas, menor penetración. 

  • Frecuencias de ondas milimétricas (utilizadas en 5G): velocidades de datos muy altas, alcance y penetración extremadamente limitados. 

  • Tecnologías inalámbricas comunes de IoT y sus bandas de frecuencia 

  • Wi-Fi: Utiliza principalmente las bandas de 2,4 GHz y 5 GHz. 

  • Bluetooth: Funciona en la banda ISM de 2,4 GHz. 

  • Zigbee: También utiliza la banda ISM de 2,4 GHz. 

  • LoRa: Funciona en varias bandas, incluidas 433 MHz, 868 MHz (Europa) y 915 MHz (América del Norte). 

  • NB-IoT: Opera en las bandas de frecuencia LTE. 

  • 5G IoT: Utiliza un rango de frecuencias sub-1 GHz a mmWave 

Dispositivos inalámbricos IoT de corto alcance 

  • Principalmente use Bluetooth y ZigBee. La conectividad de corto alcance es más común en las aplicaciones de IoT. 

  • Las antenas Bluetooth antennas funcionan en las frequencias de 2.400 a 2.485 GHz. Utiliza radio de ultra alta frecuencia para intercambiar datos entre dispositivos IoT en distancias cortas. 

  • El alcance de Bluetooth se puede mejorar en gran medida con antenas. 

  • Nuestras Antenas ZigBee son las mismas antenas que designamos como "Antenas Bluetooth", porque ZigBee utiliza el mismo rango de frecuencia: 2.400 a 2.484GHz. ZigBee también utiliza la banda de 915 MHz en los Estados Unidos. ZigBee tiene algunas similitudes con Bluetooth, pero es más simple y barato de operar. Una antena ZigBee se puede obtener como una antena de tablero de circuito impreso (PCB) o una anterna externa omnidireccional. ZigBee es una red de área personal inalámbrica (WPAN) que se caracteriza por ser de baja potencia, baja velocidad de datos y operar muy cerca. No requiere línea de visión. Las distancias de transmisión suelen estar dentro de los 10 a 100 m. ZigBee lleva el nombre de los movimientos distintivos de las abejas melíferas. 

  • Los dispositivos IoT cableados utilizan cables de comunicación Ethernet, coaxiales o de corriente. 

IoT inalámbrico de medio alcance: 

  • Para el alcance medio, la red LTE Advanced es casi exclusivamente preferida por su baja latencia, altas velocidades de datos y alcance extendido. También se utilizan variantes de gama media de WiFi como HaLow. 

  • 2G, 3G / GSM, 4G / LTE, 5G inalámbricos, WiFi. 

Inalámbrico IoT de largo alcance: LPWAN (redes de área amplia de baja potencia) transmite a bajas velocidades de datos: LPWAN es ideal para transmisiones IoT de larga distancia por su consumo de energía económico y costo de transmisión. También se utilizan satélites de largo alcance, como VSAT, que transmiten banda estrecha y banda ancha 

Todos los protocolos LPWAN, empezando por los tres más populares: 

  • LoRaWAN son las siglas de Long Range, y es una red de área amplia de baja potencia (LPWAN) que permite transmisiones de largo alcance de más de 10 km con un bajo consumo de energía. LoRa funciona a frecuencias ligeramente inferiores a 1 GHz. Las antenas direccionales son las más adecuadas para las antenas LoRa, aunque a menudo se utilizan antenas omnidireccionales LoRaWAN se desarrolló en Francia y se derivó de CSS como su primera implementación comercial. LoRa explota las bandas de RF sub-GHz como 433MHz, 868MHz y 915MHz para facilitar la transmisión de largo alcance de más de 10 km con bajo consumo de energía, ideal para la conectividad IoT. 

  • LTE-M. Long Term Evolution for Machines permite la transferencia de voz y datos con movilidad, bajo ancho de banda y consumo de energía. 

  • NB-IoT: Narrow Band-Internet of Things (NB-IoT) es una LPWAN desarrollada por 3GPP que proporciona transferencia de datos a bajo costo y bajo consumo de energía a una frecuencia de 200 kHz. 

  • DASH7: Un protocolo de red de sensores y actuadores desarrollado por la DASH7 Alliance (D7A). Es de código abierto e inalámbrico. DASH7 es capaz de utilizar una gama de tecnologías LPWAN para operar dentro de las frecuencias sub GHz sin licencia, confiando principalmente en 433MHz 

  • Sigfox: El protocolo Sigfox fue desarrollado en 2009 en Toulouse, Francia y funciona de manera similar a NB-IOT, como un LPWAN de banda estrecha. Utiliza bandas ISM (industriales, científicas y médicas) sin licencia para operar. 

  • Wize: Wize es un estándar abierto desarrollado y lanzado por Wize Alliance en 2017. Aprovecha la frecuencia de 169 MHz reacondicionada, que anteriormente se usaba para buscapersonas, pero ahora se reutiliza para la medición inteligente de servicios públicos y aplicaciones de IoT. 

  • Chirp Spread Spectrum (CSS): Esta forma de comunicación digital utiliza pulsos de modulación de frecuencia conocidos como chirps para codificar la información para su transmisión. Los chirridos son pulsos de modulación de frecuencia. La señal transmitida se propaga para ocupar el espectro de frecuencias disponible. 

  • Weightless: Esta forma de comunicación utiliza tecnología inalámbrica de código abierto que permite el intercambio de datos entre estaciones base y múltiples máquinas o dispositivos en su vecindad. El estándar de conectividad Weightless-P ha tenido tracción como una red bidireccional de banda estrecha que puede operar tanto en frecuencias con licencia como sin licencia.  

  • Telegram Splitting: Esta tecnología LPWAN estandarizada y sin licencia divide un paquete de datos transmitido en numerosas porciones más pequeñas de datos y transmite estos sub-paquetes en diferentes momentos y frecuencias sub-GHz. Como se transmite menos información a la vez, la transferencia de datos es rápida, escalable y segura contra interferencias, con un consumo de ancho de banda ultra bajo. El protocolo MIOTY aprovecha esta tecnología para implementaciones de IoT industriales y comerciales a gran escala. 

  • Protocolo NB-Fi: Este protocolo no tiene licencia y opera en la banda ISM. Desarrollada por WAVoT, es una tecnología de banda ultra estrecha (UNB) y puede alcanzar distancias de transmisión de hasta 30 km en zonas rurales e incluso subterráneas y de bajo consumo de batería que duran hasta 10 años. 

  • Acceso Múltiple de Fase Aleatoria (RPMA): Esta tecnología inalámbrica, anteriormente conocida como On-Ramp Wireless, fue desarrollada por Ingenu para aplicaciones IoT y M2M. Funciona utilizando la banda de 2,4 GHz con un canal de transmisión independiente y se puede implementar a nivel mundial. 

  • Banda Ultra Estrecha (UNB): Estas LPWAN, entregadas, se caracterizan por sus anchos de banda extremadamente estrechos y selectivos. Las transmisiones cortas y poco frecuentes se pueden entregar a través de frecuencias VHF o UHF para comunicaciones de larga distancia y bajo consumo de energía por IoT y otros dispositivos. 

  • Taggle Byron: Esta empresa con sede en Australia ha desarrollado esta tecnología de radio para proporcionar una solución de comunicaciones de bajo costo, baja potencia y largo alcance.  WAVIoT: Esta LPWAN se ha desarrollado específicamente teniendo en cuenta la comunicación bidireccional IoT y M2M. 

  • WAVIoT aprovecha las bandas ISM mediante el protocolo NB-Fi para aplicaciones como la medición de servicios público 

Factores que afectan a la selección de protocolos para aplicaciones de IoT 

Al seleccionar la tecnología inalámbrica para aplicaciones de Internet de las cosas (IoT), se deben tener en cuenta los siguientes factores clave para garantizar un rendimiento y una eficiencia óptimos: 

  1. Alcance: La distancia a la que el dispositivo IoT debe comunicarse es crucial. Las tecnologías de corto alcance como Bluetooth y Wi-Fi son adecuadas para entornos domésticos o de oficina, mientras que las tecnologías de largo alcance como LoRaWAN o NB-IoT son mejores para aplicaciones industriales o agrícolas donde los dispositivos están dispersos en grandes áreas. 

  1. Velocidad de datos: Diferentes aplicaciones requieren un rendimiento de datos diferente. Las tecnologías de alta velocidad de datos, como Wi-Fi, son adecuadas para aplicaciones como la transmisión de vídeo, mientras que las tecnologías de baja velocidad de datos, como Zigbee o LoRa, son suficientes para los sensores que transmiten pequeñas cantidades de datos. 

  1. Consumo de energía: Los dispositivos IoT a menudo funcionan con baterías, por lo que la eficiencia energética es una consideración importante. Tecnologías como Bluetooth Low Energy (BLE) o Zigbee están diseñadas para un bajo consumo de energía, lo que las hace ideales para dispositivos que necesitan funcionar durante períodos prolongados sin recargar. 

  1. Topología de red: La estructura de la red, ya sea punto a punto, estrella, malla u otra cosa, afecta a la elección de la tecnología. Las redes de malla son robustas y autorreparables, ideales para aplicaciones domésticas inteligentes, y se pueden implementar con tecnologías como Zigbee. 

  1. Seguridad: Las necesidades de seguridad varían en función de la aplicación. Tecnologías como Wi-Fi ofrecen protocolos de seguridad avanzados, que son cruciales para las aplicaciones que manejan datos confidenciales. 

  1. Costo: El costo de implementación y mantenimiento de la tecnología siempre es una consideración. Algunas tecnologías requieren hardware más caro o tienen costos operativos más altos debido al consumo de energía o las tarifas de red. 

  1. Interferencia y confiabilidad: En entornos con muchos dispositivos inalámbricos o maquinaria pesada, la interferencia puede ser un problema importante. La selección de una tecnología que funcione en una banda de frecuencias menos concurrida o que cuente con técnicas sólidas de mitigación de interferencias puede ser fundamental. 

  1. Escalabilidad: La capacidad de escalar la red a medida que crece el número de dispositivos conectados es esencial. Algunas tecnologías se adaptan mejor a redes pequeñas, mientras que otras pueden manejar miles o incluso millones de dispositivos 

  1. Cumplimiento regulatorio: Las tecnologías inalámbricas deben cumplir con las regulaciones regionales relativas al uso del espectro. Es importante elegir una tecnología que sea legal y esté optimizada para su uso en el área geográfica prevista. 

  1. Latencia: El tiempo que tardan los datos en viajar desde el origen hasta el destino puede ser crítico en aplicaciones como la automatización industrial, donde se requiere el procesamiento de datos en tiempo real. 

  1. Factores ambientales: El entorno operativo (interior/exterior, urbano/rural, temperaturas extremas, etc.) puede afectar en gran medida el rendimiento de las tecnologías inalámbricas. 

  1. Requisitos y experiencia del usuario: La consideración de la experiencia del usuario final y los requisitos específicos de la aplicación, como la facilidad de configuración y uso, también pueden guiar la elección de la tecnología.   

 Acerca de IoT: Dispositivos, antenas, historia y futuro 

  • Los dispositivos ("Cosas") son dispositivos y equipos comunes de uso cotidiano, incluidos teléfonos inteligentes, dispositivos portátiles, vehículos e instrumentos. 

  • Cada dispositivo de la red es identificable de forma única y puede intercambiar datos con otros dispositivos a través de IP. Los dispositivos están integrados con software y funciones de conectividad para permitir esta comunicación. 

  • Los protocolos inalámbricos de IoT se están desarrollando rápidamente y son los medios para una amplia variedad de aplicaciones que hacen que las máquinas, los dispositivos y las comunicaciones sean más eficaces, aumentan su funcionalidad y les permiten "hablar" entre sí. 

  • El término Internet de las Cosas (IoT) fue acuñado por un académico del MIT en 1999, e inicialmente se refería a la tecnología de identificación por radiofrecuencia (RFID) para dispositivos. 

  • Los sistemas IoT inalámbricos utilizan antenas para transmitir o recibir información y, por lo general, funcionan en asociación con ruteadores inalámbricos para mejorar la señal hacia y desde el dispositivo al que están conectados. Se conectan a un procesador que puede, dependiendo de cómo se haya programado, realizar una acción con cualquier necesidad de intervención del usuario.

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