Tendencias del Internet de las Cosas:

La adopción generalizada del Internet de las Cosas, que incluye casi todas las industrias y la infraestructura global, cataliza lo que muchos han descrito como una era exponencial que desencadenará aumentos masivos de la productividad y el crecimiento comercial.

Como con toda innovación tecnológica, hay problemas iniciales. Actualmente, el potencial del Internet de las Cosas está limitado por la capacidad de redes inalámbricas necesaria para soportar miles de millones de conexiones de IoT.

Se han implementado varias tecnologías inalámbricas que compiten entre sí, pero individualmente, necesitan la capacidad o la armonización para admitir la amplia gama de dispositivos de Internet de las cosas, lo que lleva a un panorama fragmentado y fácil de usar para el usuario final.

LoRa Alliance: No existe una única tecnología de red para IoT que ofrezca:

• Cobertura ubicua
• Disponibilidad y compatibilidad universales
• Capacidad para admitir todo tipo de soluciones y casos de uso de IoT
• Capacidad para usarse como red de área personal (PAN), red de área local (LAN), red de área de vecindario (NAN) o red de área vasta (WAN)

El 5G promete ofrecer la capacidad necesaria para soportar grandes volúmenes de conexiones de IoT, pero la implementación completa de las tecnologías de redes celulares de quinta generación aún está a muchos años de distancia. Mientras tanto, las partes interesadas están explorando soluciones para armonizar la conectividad IoT entre las tecnologías heterogéneas que se utilizan actualmente.

Este artículo explorará los esfuerzos para crear e implementar tecnologías de acceso de radio múltiple (Multi-RAT) que combinen las diferentes tecnologías de red utilizadas por el Internet de las cosas, en particular las tecnologías de redes celulares LPWAB, incluida LoRa.

¿Qué es la tecnología de acceso de radio múltiple (Multi-RAT)?

La tecnología de acceso de radio múltiple (Multi-RAT) es una arquitectura de red que crea redes inalámbricas heterogéneas que integran numerosas tecnologías celulares y no celulares. Esta arquitectura admite aplicaciones masivas de IoT que conectan muchos nodos ubicados de manera dispar mediante varias tecnologías de red.

La tecnología de acceso por radio (RAT) es una tecnología utilizada para respaldar la conectividad en una red de comunicación basada en radio. Dispositivos como los teléfonos celulares pueden admitir múltiples RAT en un solo dispositivo.

Se están desarrollando nuevas arquitecturas de redes inalámbricas heterogéneas utilizando RAT. En particular, Multi-RAT proporciona selectividad de red entre varios RAT para transferir datos a Internet, similar a la selección de puntos de acceso en WiFi.

Las tecnologías de red que se pueden combinar actualmente con esta tecnología incluyen:

• Nueva radio 5G (5GNR)
• NB-IoT
• LTE
• GSM (por sus siglas en inglés
• UMTS
• Conexión Wi-Fi
• Lora
• Bluetooth

Las redes creadas a partir de estas tecnologías son altamente específicas y adaptables, con múltiples capas de celdas enfocadas en áreas específicas de la prestación de servicios, incluida la expansión de la capacidad y la cobertura, la respuesta a condiciones de propagación adversas o el ahorro de energía y ancho de banda.

El interés por las RAT múltiples ha aumentado con el despliegue de la tecnología celular de quinta generación, 5G NR. Esta tecnología se puede utilizar para construir redes multicapa (macro y celdas pequeñas), expandir la capacidad de la red con celdas pequeñas o descargar a otras redes.

La planificación Multi-RAT utiliza las diversas capas de la tecnología de redes celulares y soluciones de dispositivos donde otras tecnologías inalámbricas celulares y no celulares pueden coexistir con una red celular y manejar su rendimiento (descarga). Otras áreas de armonización y sincronización entre tecnologías dispares incluyen la conmutación, los objetivos de cobertura, la red de retorno, la gestión de interferencias y las antenas.

Acerca de las redes inalámbricas heterogéneas

Estas nuevas redes, redes inalámbricas heterogéneas, combinan múltiples tecnologías de acceso de radio (RAT) en una sola red.

Teóricamente, cualquier combinación de tecnologías de redes inalámbricas, tanto tecnologías de acceso celular como no celular, puede funcionar junta.

Este tipo de conectividad se está desarrollando ahora para el Internet de las Cosas. Los dispositivos ya pueden mantener la conectividad a Internet a través de múltiples RAT de forma secuencial y simultánea. Los ingenieros electrónicos también pueden configurar redes heterogéneas para minimizar el consumo de energía u optimizar la cobertura según lo requieran los nodos participantes.

Principales desafíos y consideraciones del modelo multi-RAT

Las redes Multi-RAT son vulnerables a las interferencias y a las regiones congestionadas de la red. Esto se debe a que puede haber problemas con los algoritmos utilizados para seleccionar las tecnologías de radio, especialmente si muchos dispositivos necesitan acceso a Internet. La disponibilidad de puntos de acceso/pasarelas es esencial, ya que aquí es donde todas las tecnologías de red obtienen acceso a Internet. Las limitaciones críticas en las redes multi-RAT incluyen:

• Disponibilidad del punto de acceso (o puerta de enlace)
• Distancia al punto de acceso más cercano
• Calidad de la señal del punto de acceso o pasarela
• Carga experimentada en el punto de acceso
• Número de usuarios que utilizan una tecnología de acceso radioeléctrico específica

El uso rutinario de la tecnología de redes celulares en estas redes hace que cualquier necesidad de retransmisiones sea costosa e ineficiente desde el punto de vista energético. Al integrar otras tecnologías de red, podemos comunicarnos utilizando múltiples saltos más cortos, más baratos y de baja energía entre nodos de retransmisión en lugar de una transmisión celular punto a punto de larga distancia.

Protocolos de interoperabilidad entre tecnologías de acceso radioeléctrico

Varios estándares emergentes buscan la integración funcional entre las diversas tecnologías de comunicaciones inalámbricas de IoT. Un ejemplo existente es IEEE 802.21, que especifica la transferencia independiente de medios entre varias redes cableadas e inalámbricas.

Los ingenieros electrónicos han desarrollado algoritmos complejos que controlan la selección de la mejor red en función de varias características, incluido el rendimiento de las redes constituyentes, el consumo de energía y la eficiencia energética.

Las redes definidas por software (SDN) pueden gestionar redes multi-RAT

Una limitación fundamental de las redes multi-RAT para IoT es que cada RAT tiene su propia capa de control y gestión. Para lograr un control armonizado de una amplia gama de RAT en una sola red, se debe necesitar una única plataforma de gestión unificada para evitar un rendimiento subóptimo de la red.

La arquitectura de red basada en SDN puede ofrecer control de extremo a extremo de múltiples RAT al proporcionar garantías de QoS y un acuerdo de nivel de servicio (SLA). Este enfoque de la gestión de redes desacopla el software del hardware de las diferentes tecnologías participantes y centraliza el control en una única plataforma que facilita la configuración y el control unificados.

Las redes SDN pueden escalar las redes de IoT. Proporciona la visión global de la red necesaria para garantizar que los nodos posteriores funcionen de manera óptima utilizando las RAT disponibles. SDN también se simplifica, requiriendo solo un controlador en lugar de un controlador de red central y controladores RAN separados.

El papel de las LPWAN en multi-RAT

Multi-RAT utiliza una combinación de soluciones de radio de corto, mediano y largo alcance para cumplir con los requisitos de diversos casos de uso y aplicaciones.

Las tecnologías de redes de área amplia (LPWAN) de baja potencia están pasando a primer plano como tecnologías de acceso por radio que pueden proporcionar cobertura y soporte para conexiones IoT en grandes conurbaciones a bajo costo. La utilidad de LoRa y otras tecnologías LPWAN se está investigando activamente como una solución para respaldar los RAT de bodega como parte de una red multi-RAT.

Las redes LPWAN han demostrado ser una solución eficaz para conectar dispositivos o nodos alimentados por baterías que no pueden utilizar redes celulares estándar para la transferencia de datos debido a su alto consumo de energía. Se espera que se utilice junto con las redes celulares, de manera similar a Conexión Wi-Fi.

Las LPWAN ofrecen comunicaciones efectivas de largo alcance con opciones con y sin licencia a pesar de la baja potencia. Aunque todas las soluciones LPWAN son de bajo consumo, es esencial tener en cuenta que utilizan tecnologías distintas y tienen diferentes ventajas y limitaciones. Por ejemplo, aquí hay una comparación de LoRaWAN y NB-IoT:

LoRaWAN

Una WAN LP que utiliza el espectro radioeléctrico sin licencia:

• LoRa fue desarrollado inicialmente por Semtech utilizando la técnica de modulación Chirp Spread Spectrum (CSS).
• El  protocolo de comunicación LoRaWAN describe la arquitectura de red que se encuentra sobre la capa física LoRa desarrollada por Semtech en 2015.
• Las redes LoRaWAN incluyen empresas sin fines de lucro como The Things Network y empresas comerciales como Nova Labs (Helium Network) o Amazon Web Services (AWS) que implementan redes LoRaWAN a gran escala.
• Se espera que LoRa sea la tecnología LPWAN no celular líder a partir de 2026. Se prevé que admita al menos 1.300 millones de conexiones IoT, más del 25% de todas las conexiones LPWAN para este momento.

NB-IoT

Tecnología celular que utiliza bandas de frecuencia con licencia

• Este protocolo LPWAN comercial desarrollado por el Proyecto de Asociación de 3ª Generación (3GPP).
• NB-IoT se ha desarrollado explícitamente para la conectividad LPWAN de largo alcance, baja potencia y baja tasa de bits para dispositivos IoT alimentados por batería

Las RAT de IoT de corto alcance, como Bluetooth y WiFi, se han integrado con éxito en soluciones Multi-RAT. Un acuerdo similar también incluye múltiples tecnologías celulares en los dispositivos, proporcionando un respaldo GPRS si falla la cobertura LTE.

El movimiento para integrar estos LPWAN junto con los RATs celulares y de corto alcance con conmutación dinámica entre ellos es ambicioso. Sin embargo, un enfoque preciso de múltiples RAT que incluya redes LPWAN puede proporcionar beneficios para las redes de IoT que incluyen:

• Mayor autonomía, con dispositivos/nodos que siguen funcionando con baterías en lugar de depender de la energía de las baterías.
• Rendimiento energético
• Latencia reducida
• Acomodación de tamaños de carga útil más grandes
• Mejora de la calidad del servicio
• Costos más bajos

Por ejemplo, un dispositivo basado en sensores que envía lecturas que requieren una pequeña transmisión de datos puede utilizar tecnología adecuada para transmisiones de baja tasa de bits (por ejemplo, LoRaWAN), pero si necesita intercambiar grandes cantidades de datos, se puede seleccionar y utilizar automáticamente una tecnología de conectividad alternativa.

Una mirada más cercana a los beneficios de las redes Multi-RAT

Se espera que un enfoque multi-RAT para las redes de IoT brinde beneficios en 6 áreas clave:

[A] Administración de energía

Las redes Multi-RAT pueden ofrecer importantes ahorros de energía, lo que las hace ideales para soportar dispositivos alimentados por baterías. El cambio de red a la tecnología de red más eficiente energéticamente significa que los dispositivos IoT pueden optimizar su rendimiento y solo gastar cantidades significativas de energía en las comunicaciones requeridas.

La Alianza LoRa aboga por la inclusión de la tecnología LoRaWAN en redes multi-RAT porque es intrínsecamente de bajo consumo. El consumo de energía de LoRa está determinado principalmente por el tiempo en el aire (ToA) de un dispositivo transmisor, que es una combinación de la carga útil y el factor de dispersión. LoRa puede optimizar la potencia de transmisión y la velocidad de datos de acuerdo con las condiciones del canal disponible. La potencia se puede aumentar si la relación señal-ruido es baja, pero también se puede reducir en condiciones favorables.

Este tipo de señalización de ancho de banda estrecho con un simple MAC reducirá significativamente el consumo total de energía de las redes IoT, especialmente si los datos celulares adecuados se descargan a través de una LoRaWAN.

NB-IoT puede integrarse fácilmente con las redes celulares de IoT como una opción de baja potencia basada en celulares. NB-IoT es una versión simplificada del estándar LTE. Ahorra energía al permitir que los dispositivos tengan un tiempo de suspensión más prolongado, un menor tiempo de radio activa y un modo de ahorro de energía en el que los dispositivos de los participantes pueden desconectarse completamente de la red si no están en uso.

[B] Cobertura de red

La cobertura es esencial para la conectividad confiable que necesitan los nodos de IoT en aplicaciones críticas, especialmente en áreas inaccesibles o remotas. La distancia al punto de acceso o puerta de enlace más cercano es un determinante clave de la confiabilidad de una red LoRaWAN IoT.

Las LPWAN ya se utilizan activamente en IoT, ya que están diseñadas para facilitar la conectividad de largo alcance y mejorar la cobertura.

• LoRa se basa en una distribución adecuada y la proximidad de las puertas de enlace para ser confiable y, por lo general, se implementa de manera dispar y descentralizada. Actualmente no existe una infraestructura común para las redes LoRaWAN, y hay muchas redes privadas. La cobertura de las redes LoRa simplemente se amplía aumentando el número de pasarelas en la red. El rango también se puede mejorar modificando la velocidad de datos cambiando el factor de dispersión.
• NB-IoT puede mantener la conectividad de red utilizando tres niveles de mejora de la cobertura (CE) para mantener la conectividad en áreas remotas o inaccesibles. Las clases de cobertura permiten a NB-IoT reducir su ancho de banda y aumentar su consumo de energía para lograr una cobertura más excelente donde sea necesario.

[C] Carga útil

En el caso de los dispositivos IoT típicos basados en sensores, el tamaño de la carga útil suele ser pequeño, ya que solo pueden transmitir un número limitado de bytes a la vez. Sin embargo, las transmisiones simultáneas desde un gran número de nodos o un aumento en el tamaño de los paquetes de datos aumentarán la carga útil.

Una solución multi-RAT permite que una red seleccione entre una gama de tamaños de carga útil disponibles. También se pueden aprovechar las diferencias en la gestión del tamaño de la carga útil entre las diferentes LPWAN. Por ejemplo, el tamaño de la carga útil de LoRaWAN dependerá de la velocidad de datos utilizada, mientras que NB-IoT ofrece transmisiones de datos ilimitadas de enlace ascendente y descendente sin ciclo de trabajo.

[d] Latencia

Para lograr el funcionamiento seguro de proyectos de infraestructura como las ciudades inteligentes, es necesario minimizar la latencia de la transferencia de datos de IoT. La latencia se compone de la latencia de enlace ascendente, el retraso entre los datos que se transmiten desde un nodo y los que se reciben en un servidor, y la transferencia de datos en la dirección opuesta de un servidor a otro, conocida como latencia de enlace descendente

Se espera que las redes celulares 5G proporcionen la latencia extremadamente baja que se requeriría para los sistemas de transporte inteligentes y proyectos relacionados.

En un modelo multi-RAT, la latencia de la provisión general de la red está limitada por la latencia más baja de las tecnologías participantes. La inclusión de redes LP WAN significa que la latencia aumentará para los dispositivos que elijan utilizar esta tecnología de acceso por radio para la transferencia de datos.

Para las redes LoRaWAN, la latencia del enlace ascendente y descendente está determinada por la clase del dispositivo participante, el ciclo de trabajo y la velocidad de datos. NB-IoT también ha aumentado la latencia, ya que los dispositivos escuchan rutinariamente la información de la célula y completan un proceso de sincronización con la estación base antes de transmitir.

[E] Calidad de servicio (QoS)

La pérdida de paquetes y el rendimiento son indicadores clave de QoS para los casos de uso de IoT basados en sensores. Los nodos que pueden repetir la transmisión, aumentar su potencia de salida o controlarse dinámicamente generalmente ofrecen una QoS más alta. Por lo general, las LAN no ofrecen una variedad de niveles de QoS, lo que significa que el uso de la tecnología LP WAN en una red multi-RAT será a expensas de la QoS. NB-IoT es una excepción, ya que tiene el mismo protocolo síncrono con intervalo de tiempo que LTE, por lo que puede proporcionar QoS de extremo a extremo.

[F] Rentabilidad

Un enfoque multi-RAT para las redes de IoT va a ser más caro que una sola provisión de radio. Los costos de implementación de redes multi-RAT para IoT incluyen:

• Costos del espectro
• Hardware (incluidas las antenas)
• Backhaul
• Costes del operador de red
• Dispositivos finales
• Baterías (incluidos los costos de reemplazo y recarga)
• Servicio

Sin embargo, la mejora del rendimiento y la eficiencia energética que se pueden lograr a través de una red multi-RAT eficaz podría traducirse en ahorros significativos a largo plazo.

En conclusión

Las redes Multi-RAT son una solución propuesta para satisfacer las demandas de capacidad y rendimiento de un número cada vez mayor de conexiones IoT. Un enfoque multi-RAT tiene el potencial de aprovechar los beneficios de las redes celulares y LP WAN para ofrecer la cobertura y la capacidad que necesita un ecosistema diverso de dispositivos y nodos de IoT. Aunque un enfoque multi-RAT para las redes de IoT es costoso, una planificación e implementación cuidadosas de este tipo de red puede maximizar los beneficios para los dispositivos de los usuarios finales y recuperar los costos.