La IoT, el Big Data y las radiocomunicaciones

iot_ferreira_dapiaSon ya más de 40 años los que han pasado desde que empezó mi idilio con las radiocomunicaciones. Todo comenzó con una película que ponían en la única televisión que existía en la España de los años 70.

Un crío salvaba a todo un barco de pasajeros de un terrible secuestro en alta mar gracias a su condición de radioaficionado y a que en su maleta había escondido un pequeño transceptor de onda corta que pudo utilizar conectando a la antena del barco y así enviar un mayday que permitiera su recate. La película seguro que no pasará a la historia de la cinematografía, pero me sirvió para encarrilar mi vida personal y también la profesional.

El uso del espectro radioeléctrico ha dado muchas vueltas en los últimos 40 años. De utilizarse únicamente para la transmisión de la sencilla telegrafía, télex, etc., y también su importante uso para las comunicaciones de voz, ha pasado a ser la pieza fundamental para la transmisión de datos de baja y alta tasa como se requiere en los usos y costumbres de la sociedad de hoy.

De las tecnologías digitales a las analógicas

Con los sistemas de comunicación analógicos, la capacidad del espectro radioeléctrico no iba a ser suficiente para la enorme demanda que requieren los servicios de comunicación, broadcast, etc. El espectro radioeléctrico es un bien público y limitado que precisa de una fuerte regulación para su uso y no abuso. Había que inventar algo para que no se saturara y estuviera a disposición de la cantidad de radiocanales necesarios en las distintas bandas para lo que se venía encima en las dos últimas décadas del siglo XX.

Fue entonces cuando se desarrollaron las tecnologías digitales que permitirán las multiplexación de señales y el aumento de manera muy notable de la cantidad de información que podía viajar a través del éter.

En lo que se ha dado en llamar la IoT (el Internet de las Cosas), el papel que va jugar la radio es absolutamente capital. Todos los millones de dispositivos susceptibles de estar “conectados” y transmitiendo una lista interminable de sensores, lo harán principalmente a través de la radio. En la mayoría de los casos, estos sensores enviarán datos de baja tasa con lo que se precisará un envío de archivos que ocuparán pocos bits.

Tecnologías de radio de baja frecuencia

Varias empresas del sector tecnológico, conscientes de la gran oportunidad que se presentaba al hilo de la IoT y aprovechándose de lo que las legislaciones de los países permiten en materia del uso del espectro radioeléctrico, de manera muy inteligente empezaron a concebir un sistema inalámbrico de envío de datos muy económico, compuesto de equipos autónomos con sus propias baterías y durabilidad de varios años y que tuviera cobertura mundial.

Con estos requerimientos de inicio nacen SigFoxLoRa y Neul, tres tecnologías de radio de baja frecuencia (entre 868 MHz y 902 MHz) que permiten la transmisión de baja tasa de datos de dispositivos M2M/IoT a un coste muy reducido y con muy bajo consumo de batería. A un dispositivo de estas características le puede durar su batería hasta cinco años, cuestión que permite una independencia del bien que se quiera conectar así como una gran sencillez de instalación.

Las llamadas LPWAN son por tanto tecnologías indicadas para abordar grandes despliegues de objetos conectados, como por ejemplo alarmas, contenedores, palés, vehículos, maquinaria, contadores de agua, etc., que requieren transmitir pocos datos a intervalos regulares durante una muy larga vida útil.

La transmisión utiliza frecuencias que no requiere licencias para operar, lo que le permite un rápido despliegue y un ahorro de costes en licencias y cánones de gran cuantía pagaderas a los gobiernos. Es también un sistema más sencillo de operar y bastante menos costoso que una red celular GPRS/3G/4G, que se emplean habitualmente para hacer tracking. El despliegue de red que soporta las coberturas necesarias para recibir los datos enviados por los beacon se realiza en emplazamientos ya utilizados por otros servicios de telecomunicaciones, siendo muy económicos los costes del despliegue.

La reacción de los operadores de telefonía

Con la aparición de estas tecnologías en el mercado M2M/IoT, los operadores de telefonía han reaccionado de dos maneras diferentes:

  • Asociarse con SigFox y revender su solución en sus respectivos mercados. Algunos operadores han ido incluso más lejos y han decidido entrar directamente en el capital de la empresa SigFox, como por ejemplo la española Telefónica, la coreana SK Telecom y la japonesa NTT DOCOMO.
  • Hacer la competencia a SigFox y proponer una alternativa propietaria. En reacción a la competencia de SigFox, otros operadores como las francesas Bouygues y Orange, la holandesa KPN, la belga Proximus y la suiza Swisscom, se han aliado para promover la tecnología LoRa y la comercializan directamente como operadores. Vodafone y BT, mientras tanto, han ido por su lado haciendo un movimiento equivalente con la promoción de Neul.

Fabricantes de módulos

En otro lado de la cadena de valor, los fabricantes de módulos han adoptado también una posición respecto a la emergencia de estas tecnologías:

  • SigFox es una solución que busca la compatibilidad con muchos fabricantes de módulos que adoptan una posición neutra, como Avnet, Telit, Texas Instrument, etc. Esto significa que hay más variedad de dispositivos compatibles con esa tecnología en el mercado.
  • LoRa es la tecnología que promueve SemTech, al igual que Huawei y u-Box hacen lo mismo con Neul. La compatibilidad de estas tecnologías se reduce por lo tanto a estos fabricantes.

Modelos de negocio

El modelo de negocio es también diferente según la tecnología que se considere:

  • SigFox actúa directamente en el mercado como un operador y puede hablar directamente con los clientes finales, lo que puede suponer un nuevo entrante en el mercado para los integradores y los especialistas en soluciones y servicios que adoptan esa tecnología.
  • LoRa y Neul son tecnologías que pasan por un operador de telefonía y que no modifican el mapa competitivo al añadir una solución complementaria a su portfolio.

Un punto interesante es preguntarse por la viabilidad económica de los actores que comercializan estas tecnologías, ya que el ingreso por línea es muy bajo y requiere abordar proyectos de grandes dimensiones para sostener la rentabilidad a largo plazo.

Una posible respuesta viene de los nuevos modelos de negocio que se construyen por encima de la conectividad con la recolección a un coste muy reducido de una gran cantidad de datos y que se ponen en valor como el Big Data. En ese sentido, es interesante ver cómo se posicionan los fabricantes de plataformas para integrar estas tecnologías.

Para los que deseen profundizar en las características técnicas, arquitectura y prestaciones de las tecnologías LPWAN, más información sobre SigFox y LoRaWAN.

SigFox

SigFox emplea una tecnología patentada que permite la comunicación utilizando la banda de radio ISM industrial, científica y médica que utiliza 868MHz en Europa y 902MHz en los Estados Unidos. Utiliza una señal de gran alcance que pasa libremente a través de objetos sólidos, llamada “banda ultra estrecha” y requiere poca energía, denominándose “red de área amplia de bajo consumo (LPWAN)”. La red se basa en una topología en estrella de un salto y requiere un operador móvil para transportar el tráfico generado. La señal también puede usarse para cubrir grandes áreas y alcanzar objetos subterráneos.

SigFox se ha asociado con varias firmas de la industria LPWAN, como Texas Instruments, Silicon Labs y ON Semiconductor. La banda de radio ISM soporta la comunicación bidireccional. El estándar existente para las comunicaciones SigFox soporta hasta 140 mensajes de enlace ascendente al día, cada uno de los cuales puede transportar una carga útil de 12 bytes, y hasta 4 mensajes de enlace descendente por día, cada uno de los cuales puede llevar una carga útil de 8 bytes.

SigFox es una empresa francesa fundada en 2009 que construye redes inalámbricas para conectar objetos de baja energía, como medidores de electricidad, relojes inteligentes y lavadoras, que necesitan estar continuamente emitiendo pequeñas cantidades de datos.

LoRaWAN

LoRaWAN es una especificación para redes de baja potencia y área amplia LPWAN, diseñada específicamente para dispositivos de bajo consumo de alimentación, que operan en redes de alcance local, regional, nacional o global. El estándar de red LoRaWAN apunta a requerimientos característicos del Internet de las Cosas, tales como conexiones bidireccionales seguras, bajo consumo de energía, largo alcance de comunicación, bajas velocidades de datos, baja frecuencia de transmisión, movilidad y servicios de localización. Permite la interconexión entre objetos inteligentes sin la necesidad de instalaciones locales complejas, y además otorga amplia libertad de uso al usuario final, al desarrollador y a las empresas que quieran instalar su propia red para el Internet de las Cosas.

La arquitectura de red típica es una red de redes en estrella, de forma que la primera estrella está formada por los dispositivos finales y las puertas de enlace, y la segunda estrella está formada por las puertas de enlace y un servidor de red central. En este caso las puertas de enlaces son un puente transparente entre los dispositivos finales y el servidor de red central. Uno o más dispositivos finales se conectan a una o más puertas de enlace, mediante una conexión inalámbrica de un solo salto, usando tecnología RF LoRa o FSK, formando así una red en estrella. Una o más puertas de enlace se conectan al servidor de red central por medio de conexiones IP estándar, formando así una red en estrella.

Las comunicaciones entre los dispositivos y el servidor de red son generalmente unidireccionales o bidireccionales, pero el estándar también soporta multidifusión, permitiendo la actualización de software en forma inalámbrica u otras formas de distribución de mensajes en masa. La comunicación entre dispositivos finales y las puertas de enlace se hacen en diferentes canales de frecuencias y a distintas velocidades de datos. La selección de la velocidad de datos es un compromiso entre la distancia de alcance, y la duración y consumo de energía del mensaje. Debido a la tecnología de espectro ensanchado (o SS, spread spectrum en inglés), las comunicaciones a distintas velocidades de datos no interfieren con otras comunicaciones a distinta velocidad, creando así un juego virtual de canales que incrementan la capacidad de la puerta de enlace.

Las velocidades de datos se encuentran en el rango de 0.3 kbps a 50 kbps. Para maximizar en forma conjunta la duración de la batería de los dispositivos finales y la capacidad de la red, el servidor central LoRaWAN maneja la velocidad de datos para cada dispositivo en forma individual, por medio de un esquema adaptativo de velocidad de datos (o ADR, adaptive data rate en inglés).