Las tecnologías de comunicación utilizadas por los dispositivos IoT para comunicar datos entre sí se denominan redes IoT. Algunos ejemplos de redes IoT son redes celulares como LTE-M y NB-IoT, WiFi, Bluetooth Low Energy, Sigfox, LoraWAN, Zigbee, RFID y Ethernet. Los dispositivos de IoT suelen estar conectados mediante tecnologías de comunicación inalámbrica. En algunos casos excepcionales, es posible que encuentres dispositivos IoT conectados a través de Ethernet. Aunque los protocolos de IoT como MQTT, CoAP, AMQP, etc. Aunque operan en la capa de aplicación de Internet, estas tecnologías de comunicación se aplican a la capa de red de la arquitectura de Internet. IoT es la columna vertebral de la cuarta revolución industrial. La Industria 4.0 no es más que el Internet Industrial de las Cosas (IIoT).
Al diseñar una aplicación de IoT, lo primero que hay que decidir es elegir una red. La selección de una red de IoT normalmente depende del caso de uso. Las redes de IoT se pueden clasificar en cuatro clases amplias, como se indica a continuación.
- Redes celulares como LTE-M, NB-IoT, etc.
- LAN/PAN como Bluetooth, WiFi, etc.
- LPWAN como LoRaWAN, Sigfox, etc.
- Protocolos de malla como RFID, ZigBee, Z-wave, etc.
Clasificar las redes de IoT es útil para seleccionarlas para una aplicación específica. La selección de una red de IoT específica puede depender del área de cobertura requerida, el costo, el entorno del dispositivo, la densidad de los dispositivos de IoT, el consumo de energía, la naturaleza de la comunicación de máquina a máquina, el ancho de banda de red requerido, la seguridad, etc. Analizaremos las categorías amplias de redes de IoT junto con algunas redes populares.
Redes celulares (3G, 4G, 5G, 5G de próxima generación) Las redes celulares como 3G, 4G y 5G ya prevalecen en el mercado móvil de consumo. Las redes móviles tienen la cobertura más amplia en comparación con cualquier otra tecnología inalámbrica. Sin embargo, estas redes tienen altos costos operativos y un alto consumo de energía. A pesar de la gran cobertura y el amplio ancho de banda, las redes celulares no siempre son adecuadas para dispositivos IoT debido a su alto costo y gran consumo de energía. Para los dispositivos IoT que funcionan con baterías, las redes celulares obtienen un claro no. Aún así, las redes celulares son adecuadas para algunos casos de uso específicos que ninguna otra tecnología de comunicaciones puede satisfacer.
Por ejemplo, los coches autónomos, las infraestructuras sanitarias conectadas, la videovigilancia en tiempo real, la gestión de flotas de transporte y la automatización industrial urgente no son posibles sin las redes móviles. Estas aplicaciones no sólo requieren una comunicación de datos frecuente, sino que el volumen de datos involucrados también es muy alto. Nuevamente, los dispositivos de IoT que se comunican en estas aplicaciones requieren una implementación muy distante. Las redes celulares son omnipresentes y ofrecen un amplio ancho de banda que las hace viables para tales casos de uso a pesar del costo y la desventaja energética. La mayoría de estas aplicaciones requieren transmisión de datos con una gran carga útil por día. Dado que las redes celulares son capaces de ofrecer una velocidad de datos superior a 380 kbps con un ancho de banda de 5~20 MHz (3G/4G), ni la carga útil elevada ni la transmisión por secuencias son un problema. Un verdadero impulso para la mayoría de estas aplicaciones será el teléfono móvil 5G de próxima generación.
LPWAN
Las redes móviles no son adecuadas para aplicaciones alimentadas por baterías ni para la comunicación entre máquinas. Una solución viable para conectar dispositivos IoT implementados de forma remota es la red de área inalámbrica de baja potencia (LPWAN). Hay LPWAN con y sin licencia. El licenciatario incluye NB-IoT y LTE-M. Los que no tienen licencia incluyen Sigfox y LoRaWAN. Aunque las LPWAN permiten que los dispositivos IoT alimentados por baterías se comuniquen a largas distancias, solo se puede comunicar una pequeña cantidad de datos con estas tecnologías debido al menor ancho de banda. LPWAN tiene varias ventajas sobre las redes celulares. Estas redes son baratas y se pueden integrar en circuitos pequeños. A diferencia de las redes celulares, estas redes pueden funcionar con batería durante varios años.
Analicemos algunas de las LPWAN comunes.
NB-IoT
NB-IoT es una LPWAN con licencia que le permite comunicar una carga útil ilimitada por día en un ancho de banda de 180 MHz. Este protocolo de IoT de banda estrecha es de bajo costo y tiene un consumo de energía medio. Los dispositivos NB-IoT no requieren ninguna puerta de enlace y pueden comunicar datos directamente al servidor. Con una velocidad de datos de 200 kbps y una carga útil ilimitada por día, NB-IoT permite una gran cantidad de conexiones. Aunque el protocolo no ofrece mayor apoyo a la movilidad, es conocido por su buen rendimiento tanto en entornos interiores como exteriores.
LTE-M
LTE-M es una LPWAN con licencia basada en el uso de bases LTE para la comunicación entre dispositivos IoT. También conocido como Cat-M1, LTE-M proporciona un mayor ancho de banda, lo que permite el funcionamiento de una densidad de conexión masiva e incluso aplicaciones como VoIP. En comparación con NB-IoT, los dispositivos LTE-M tienen un mayor consumo de energía y requieren una puerta de enlace para comunicarse. con el servidor. Los dispositivos también son más caros en comparación con los dispositivos NB-IoT.
LoRaWAN
Mantenido por LoRa-Alliance, LoRaWAN ofrece un área de cobertura de 15 km. Esta LPWAN sin licencia tiene un ancho de banda de 125 ~ 500 KHz y una velocidad de datos de hasta 27 kbps. Opera en una banda de frecuencia ISM libre. Debido a su menor consumo de energía, LoRa es más adecuado para dispositivos IoT industriales que funcionan con baterías. Los dispositivos LoRa pueden funcionar con batería durante hasta 10 años. Como no tienen licencia, las redes LoRa tienen una limitación. Sólo pueden utilizar el 1% de su ancho de banda. Normalmente, LoRa permite transmitir hasta 140 mensajes de 12 bytes por enlace ascendente por día. Hay más flexibilidad con respecto a los enlaces descendentes. Los datos siempre se transmiten en paquetes de 12 bytes. LoRa es más adecuado para redes de sensores que funcionan con baterías donde el controlador pasa la mayor parte del tiempo en modo de suspensión y transmite datos del sensor de forma intermitente. Los datos deben comunicarse a una puerta de enlace antes de transmitirse al servidor.
sigfox
Mantenido por Sigfox, un proveedor global de servicios de comunicaciones, Sigfox es una LPWAN sin licencia. Con un ancho de banda de 200 kHz, es una tecnología de Banda Ultra Estrecha (UNB). Se basa en la misma banda de frecuencia ISM que LoRaWAN. Permite una cobertura de 30~50 km. Sigfox permite transmitir hasta 140 mensajes de 12 bytes por enlace ascendente por día. El enlace descendente está limitado a 4 mensajes por día. A pesar de una velocidad de datos más baja y un ancho de banda reducido, Sigfox tiene la ventaja de un alcance global.
LAN/PAN
El área de cobertura de las redes de área local (LAN) y las redes de área personal (PAN) está limitada al entorno local, como dentro de un edificio o una instalación pequeña. Bluetooth/BLE y WiFi son las dos tecnologías LAN inalámbricas más destacadas. A pesar de la pequeña cobertura, estas tecnologías ofrecen un gran ancho de banda y excelentes tasas de transferencia de datos.
Analicemos Bluetooth y WLAN.
Bluetooth/Bluetooth de bajo consumo
Bluetooth y Bluetooth Low Energy son tecnologías de comunicación de corto alcance. BLE fue diseñado para aplicaciones de IoT de consumo. Se puede utilizar para comunicación de datos punto a punto y punto a multipunto. Lo utilizan principalmente relojes inteligentes y dispositivos domésticos inteligentes para comunicarse con teléfonos móviles o concentradores inteligentes. La nueva especificación Bluetooth Mesh ha aumentado la escalabilidad de las redes BLE. Con baja potencia y bajo consumo de energía, las redes de balizas Bluetooth se pueden utilizar en tiendas minoristas para servicios al consumidor como navegación, personalización y entrega de contenido en la tienda.
Wifi
Las redes WiFi ofrecen un gran ancho de banda y excelentes velocidades de transferencia de datos, pero a costa de un alto consumo de energía y una cobertura limitada. Debido a la cobertura limitada, el alto consumo de energía y la falta de escalabilidad, las redes WiFi nunca se utilizan en aplicaciones industriales de IoT. Debido a que las redes WiFi están disponibles principalmente como servicios de banda ancha para hogares, son útiles para aplicaciones de seguridad domésticas y domésticas inteligentes. La última generación de WiFi: WiFi 6.0 es aplicable a aplicaciones minoristas e infraestructuras WiFi abiertas que prestan servicios móviles digitales.
Protocolos de malla
Los protocolos de malla son más adecuados para redes distribuidas de bajo rango, como redes de sensores e IoT industrial de bajo rango. Los datos se comunican a una puerta de enlace central o hub. Estas tecnologías de comunicación son soluciones sólidas para la creación de aplicaciones.
Analicemos algunos de los protocolos/tecnologías de malla.
Zigbee
Zigbee es un popular protocolo de malla sin licencia ampliamente utilizado en aplicaciones de IoT distribuidas. Se trata de un protocolo de corto alcance que cubre una distancia inferior a 100 metros. En aplicaciones industriales, se compara directamente con las LPWAN. En comparación con LPWAN, Zigbee ofrece una mayor velocidad de transferencia de datos y una mayor eficiencia energética. Si el corto alcance no es un problema, los dispositivos Zigbee pueden funcionar durante años sin necesidad de reemplazar la batería. Debido a que los dispositivos Zigbee operan en una topología de malla, la red permanece operativa al enrutar la comunicación a través de otros dispositivos, incluso si un dispositivo dentro de la red está apagado o no funciona correctamente. Junto con WiFi, Zigbee también se utiliza mucho para la domótica.
onda Z
Z-wave también es un protocolo de malla como Zigbee. Tiene mayor cobertura y fue diseñado para atender aplicaciones como hogares inteligentes y vigilancia doméstica. Z-wave utiliza ondas de radio de baja frecuencia que no se ven interferidas por señales WiFi. En comparación con Zigbee, Z-wave es una tecnología patentada y requiere una licencia para su uso. Un problema con los dispositivos Z-wave es la interoperabilidad. La onda Z opera en diferentes bandas de frecuencia en Europa y Estados Unidos.
RFID
RFID se utiliza principalmente para el seguimiento de activos. Las etiquetas RFID comunican datos mínimos en un rango corto, generalmente para identificación. Para leer etiquetas RFID no se requiere línea de visión, como es el caso de los códigos de barras. Esta tecnología es ampliamente utilizada en el sector minorista y logístico. Algunas aplicaciones populares de RFID incluyen gestión de la cadena de suministro, seguimiento de activos, pasaporte electrónico, pagos automatizados, implantes humanos, seguimiento médico, control de acceso de seguridad y sistemas de pago. En India, se utiliza FASTag, una tecnología RFID pasiva, para automatizar los pagos de peajes.
Conclusión
Hay varias redes de IoT diferentes. Estas tecnologías de comunicación se pueden clasificar en términos generales en redes celulares, LPWAN, LAN/PAN y tecnologías Mesh. La clasificación se basa principalmente en la cobertura y el ancho de banda. La mayoría de las redes de IoT son tecnologías de comunicación inalámbrica. Cada clase de red de IoT tiene sus pros y sus contras. Después de seleccionar una categoría adecuada, los desarrolladores de IoT pueden realizar una selección de redes específicas según el costo, el entorno del dispositivo, la seguridad, la densidad del dispositivo, el ancho de banda de datos, la velocidad de transferencia de datos, la frecuencia de los datos, la calidad del servicio, la arquitectura de la red y la administración.
