El Internet de las cosas es la combinación de todas las tecnologías de comunicación actuales con los ordenadores e Internet. El Internet de las cosas permite, principalmente, la interconexión y la comunicación entre objetos, entre personas y objetos, y entre animales y objetos, así como el intercambio en tiempo real de datos sobre el entorno y el estado de la información, y la inteligencia. La recopilación, el procesamiento, la transmisión y la ejecución de la tecnología de la información; es decir, siempre que implique la aplicación de la tecnología de la información, puede incluirse en el ámbito del Internet de las cosas. En el proceso de popularización del Internet de las cosas, la tecnología inalámbrica desempeñará un papel cada vez más importante. Este artículo compara tres tecnologías comunes de comunicación inalámbrica LPWAN (NB-IoT/eMTC/ LoRa ) para analizar las respectivas tecnologías inalámbricas en el marco de la tendencia general del Internet de las cosas, así como sus características y escenarios de aplicación.
1. NB-IoT
NB-IoT son las siglas de «Narrow Band-Internet of Things» (Internet de las cosas de banda estrecha), y NB-IoT es una tecnología perteneciente a la categoría del Internet de las cosas. Se trata de una tecnología LPWA impulsada por Huawei que se ha convertido en un estándar 3GPP. NB-IoT se basa en la tecnología de redes celulares existente y puede responder rápidamente a las demandas del mercado industrial mediante la actualización de la red existente, convirtiéndose en el cuarto modo de la red GUL. Al mismo tiempo, NB-IoT cuenta con cuatro capacidades principales: amplia cobertura (puede cubrir zonas subterráneas), larga duración de la batería (más de diez años), bajo coste (menos de US$5 por módulo) y gran capacidad (una sola célula puede admitir 100 000 conexiones). .
Ventajas técnicas
NB-IoT presenta cuatro características principales: en primer lugar, una amplia cobertura, que mejorará la cobertura en interiores. En la misma banda de frecuencias, NB-IoT ofrece una ganancia de 20 dB en comparación con la red actual, lo que equivale a multiplicar por 100 el área de cobertura;
En segundo lugar, tiene capacidad para gestionar un gran número de conexiones. Un sector de NB-IoT puede admitir 100 000 conexiones, lo que permite una baja latencia, un coste de los equipos ultrabajo, un bajo consumo energético de los mismos y una arquitectura de red optimizada;
En tercer lugar, el menor consumo energético. El tiempo de espera de un módulo terminal NB-IoT puede llegar a ser de hasta 10 años;
El cuarto factor es el menor coste de los módulos. Las empresas esperan que un solo módulo conectado no cueste más de 5 dólares estadounidenses.
NB-IoT se centra en el mercado del Internet de las cosas (IoT) de baja potencia y amplia cobertura (LPWA) y es una tecnología emergente que puede utilizarse ampliamente en todo el mundo. Se caracteriza por su amplia cobertura, sus múltiples conexiones, su baja velocidad, su bajo coste, su bajo consumo energético y su excelente arquitectura. NB-IoT utiliza bandas de frecuencia con licencia y puede implementarse de tres formas: en banda, en banda de guarda o en portadora independiente, coexistiendo con las redes existentes.
Escenarios de aplicación
El NB-IoT se utiliza principalmente en tres escenarios de aplicación típicos: contadores de agua inteligentes, aparcamientos inteligentes y seguimiento inteligente de mascotas. En las fases posteriores de desarrollo del NB-IoT, se prevén aplicaciones como bicicletas inteligentes, detectores de humo inteligentes, papeleras inteligentes, carreteras inteligentes, máquinas expendedoras inteligentes, etc.
Retos a los que se enfrentan
En primer lugar, las cuestiones relacionadas con la interoperabilidad y la coherencia. En 2015, los principales miembros de NB-IoT, entre los que se incluyen Vodafone, Ericsson, Telefónica y la GSMA, pusieron en marcha pruebas sencillas de interoperabilidad y certificación de conformidad para dispositivos NB-IoT. Vodafone también ha creado un laboratorio específico para NB-IoT en Newbury (Reino Unido) y tiene previsto poner en marcha nuevas líneas de investigación en su laboratorio de Düsseldorf (Alemania) durante el segundo semestre de 2016.
En segundo lugar, el despliegue y el soporte a largo plazo. Los mayores problemas del despliegue de NB-IoT son el tiempo y el coste. Según las estimaciones de Vodafone, 85% de estaciones base empresariales son compatibles con NB-IoT y solo necesitan una actualización de software. Sin embargo, los operadores de red con estaciones base obsoletas deben actualizar el hardware. Esto supondrá un aumento de los costes y del tiempo necesario para la construcción de la red NB-IoT. Otra cuestión es la itinerancia M2M a nivel mundial. En teoría, los operadores deben ser compatibles con tres estándares: CAT-M, EC-GSM, NB-IoT y GPRS. Además, los dispositivos finales requieren actualizaciones OTA para garantizar la seguridad y otras mejoras.
En tercer lugar, las aplicaciones y los modelos de negocio. Para desarrollar aplicaciones y modelos de negocio basados en NB-IoT, el sector de las comunicaciones móviles debe crear un ecosistema de socios lo antes posible. Por ejemplo: Deutsche Telekom ha creado centros prototipo de NB-IoT en Berlín y Cracovia (Polonia). Estos centros forman parte de incubadoras para ofrecer a los desarrolladores un entorno de aprendizaje rápido, estimular la creación de nuevos modelos de negocio y acortar el tiempo de comercialización de los productos. .
En cuarto lugar, la competencia con la tecnología LPWAN (Internet de las cosas de área amplia y baja potencia). LoRa y Sigfox han demostrado ser tecnologías importantes para el desarrollo. Entre ellas, Sigfox se ha implantado en 24 países, y LoRa sigue utilizándose en la construcción de redes privadas y comunitarias en algunos países. Dado que NB-IoT no se implantará a gran escala en un futuro próximo, otras tecnologías competidoras aún tienen la oportunidad de definir su posicionamiento en el mercado.
En la actualidad, la popularidad de NB-IoT en el mercado varía de un país a otro. En muchos países, los posibles operadores pueden enfrentarse a una fuerte competencia por parte de redes LPWAN no móviles. Por ejemplo, en los Países Bajos, KPN ha establecido una red LoRa a nivel nacional, por lo que es menos probable que adopte NB-IoT.
En quinto lugar, hay que determinar la estrategia adecuada de entrada en el mercado. Las aplicaciones LPWAN se caracterizan por enviar pequeñas cantidades de datos a intervalos irregulares. Es posible que los usuarios potenciales necesiten servicios de menor valor. En este caso, los operadores de NB-IoT deben desarrollar las estrategias correspondientes para hacer frente a dicha demanda del mercado. Las principales estrategias incluyen: establecer un equilibrio entre el mercado y la marca; ampliar la cuota de mercado, sin limitarse al negocio tradicional M2M; evitar las guerras de precios en el segmento de gama baja, centrándose en aplicaciones que permitan controlar los márgenes de beneficio; explorar nuevos modelos de negocio para crear valor; y reforzar la cooperación con los sectores verticales.
En sexto lugar, el diseño de planes de tarifas, principalmente planes de datos para el IoT. Actualmente, los operadores siguen en fase de prueba. Por ejemplo: Korea Telecom ha puesto en marcha recientemente la red LoRa a nivel nacional y ha lanzado seis planes de datos, cada uno de los cuales se adapta a aplicaciones de datos que utilizan diferentes bandas de frecuencia. Su modelo de precios es el siguiente: el precio del plan de datos de LoRa es solo una décima parte del de los servicios de IoT basados en LTE. En los países donde operan empresas como LoRa o Sigfox, las tarifas de NB-IoT deben mantenerse dentro de un rango competitivo razonable. En el Reino Unido, al no existir una red LPWAN nacional, los operadores de NB-IoT tendrán más margen de maniobra a la hora de diseñar su estructura de precios.
Además, cuestiones como la baja velocidad de transmisión de datos, la privacidad y la seguridad, así como el tiempo necesario para la conversión de los sistemas informáticos, limitarán su desarrollo.
2. eMTC
LTE-M, o LTE-Machine-to-Machine, es una tecnología de IoT basada en la evolución de LTE. Se denomina «MTC de bajo coste» en la R12 y «LTE MTC mejorado», o eMTC, en la R13. Está diseñada para basarse en la red LTE existente y satisfacer las necesidades de los dispositivos de IoT.
El eMTC se implementa sobre redes celulares y admite velocidades máximas de enlace ascendente y descendente de hasta 1 Mbps, lo que supone una velocidad media para el Internet de las cosas. Sus equipos de usuario pueden acceder directamente a la red LTE existente, ya que son compatibles con una frecuencia de radio de 1,4 MHz y el ancho de banda de banda base. A medida que el LTE sigue evolucionando, las últimas versiones de eMTC y NBIoT han optimizado aún más los costes del sistema, han mejorado la duración de la batería y han ampliado la cobertura. La capacidad más importante del eMTC es que admite movilidad y posicionamiento. El coste es de solo 251 TP5T del chip Cat1, y la velocidad es cuatro veces superior a la del GPRS.
Ventajas técnicas
Algunas de las características más importantes del LTE de banda estrecha. En primer lugar, la complejidad del sistema se reduce considerablemente, y tanto la complejidad como el coste se optimizan en gran medida.
En segundo lugar, el consumo de energía se reduce considerablemente y la duración de la batería mejora notablemente.
En tercer lugar, se ha mejorado considerablemente la capacidad de cobertura de la red.
En cuarto lugar, se mejora la densidad de la cobertura de la red.
El eMTC cuenta con las cuatro capacidades básicas de la tecnología LPWA: en primer lugar, una amplia cobertura. En la misma banda de frecuencias, el eMTC presenta una ganancia de 15 dB en comparación con la red existente, lo que mejora considerablemente la capacidad de cobertura profunda de la red LTE; en segundo lugar, tiene capacidad para admitir conexiones masivas. Un sector puede admitir cerca de 100 000 conexiones; en tercer lugar, un menor consumo energético; el tiempo de espera del módulo terminal eMTC puede llegar a ser de hasta 10 años; en cuarto lugar, un menor coste del módulo; las conexiones a gran escala provocarán una rápida reducción de los costes de los chips de los módulos, y el coste objetivo de los chips eMTC se sitúa entre US$1 y US$2.
Escenarios de aplicación
Cuando se utiliza en logística inteligente, ofrece ventajas como la protección antirrobo, la protección contra la sustitución, la detección de temperatura en tiempo real y la localización. Permite supervisar y localizar en tiempo real, registrar y cargar información, así como consultar rutas de conducción; en los dispositivos wearables inteligentes, permite la monitorización de la salud, servicios de vídeo, transmisión de datos y posicionamiento; gracias a la pantalla interactiva de la red móvil actual, ofrece escenarios de aplicación que incluyen puntos de recarga inteligentes, maletas de espera, sistemas de seguridad para ascensores, señales inteligentes en paradas de autobús, gestión de bicicletas públicas, etc.
Retos a los que se enfrentan
Análisis de la aplicabilidad de las características del servicio eMTC al servicio VoLTE
La diferencia característica más notable entre eMTC y NB-IoT es que el ancho de banda operativo de los terminales eMTC puede alcanzar los 1,08 MHz, lo que es mucho mayor que los 200 kHz de los terminales NB-IoT. Por lo tanto, la velocidad máxima de los terminales eMTC es mucho mayor que la de los terminales NB-IoT. Teniendo en cuenta estas características, el sector considera en general que la tecnología eMTC puede ofrecer soluciones de terminales VoLTE relativamente económicas y con una mejor calidad de servicio. Sin embargo, tras un análisis técnico detallado, el efecto real del uso de la tecnología eMTC para dar soporte a servicios de voz o proporcionar soluciones de voz podría no ser tan optimista como se espera.
Funciones de bajo consumo energético
Con el fin de poder prestar servicios de IoT en un entorno con suministro eléctrico limitado, como el NB-IoT, el eMTC también se fija como objetivo de diseño del sistema un bajo consumo energético. Se prevé que funcione con una batería de menor capacidad, que permita un funcionamiento sin mantenimiento de los terminales durante 10 años y que sea compatible con el NB-IoT. El IoT también utiliza dos tecnologías de ahorro de energía: eDRX (recepción discontinua ampliada) y PSM (modo de ahorro de energía). En el caso de los servicios típicos de IoT de baja frecuencia, como la lectura automática de contadores, dado que la frecuencia del servicio es muy baja, el uso de estas dos tecnologías permite que el terminal permanezca en modo de suspensión durante mucho tiempo y solo funcione cuando sea necesaria la transmisión de datos, lo que permite ahorrar mucha energía; sin embargo, este buen efecto de ahorro energético solo es eficaz para los servicios de baja frecuencia. En el caso de los servicios VoLTE, los terminales deben supervisar con frecuencia las notificaciones de la red y responder a las llamadas entrantes de forma oportuna, por lo que no es posible utilizar el mecanismo de ahorro de energía de las tecnologías eDRX y PSM. .
características de conexión de gran capacidad
Los requisitos del «Internet de todo» exigen que la tecnología del IoT dé servicio a un gran número de terminales. Con este fin, el 3GPP ha diseñado dos soluciones de optimización de la tecnología de interfaz aérea: la optimización del CP (plano de control) y la optimización del UP (plano de usuario). En el caso de los servicios de IoT que se transmiten en paquetes pequeños, esto permite ahorrar una gran cantidad de señalización de la interfaz aérea y mejora la eficiencia de la transmisión. Sin embargo, en el caso de los servicios de voz VoLTE, las soluciones de optimización de CP y UP no pueden utilizarse para aumentar la capacidad, por lo que eMTC no tiene la capacidad de aumentar la capacidad para VoLTE.
Características de amplia cobertura
Teniendo en cuenta que algunos terminales de IoT suelen estar situados en el interior de edificios, como los contadores de agua, donde la señal suele ser muy débil, eMTC ha diseñado una tecnología de repetición para mejorar la cobertura. Mediante la repetición de las señales inalámbricas de enlace ascendente y descendente, se acumula energía de señal en el extremo receptor, lo que mejora la cobertura. Sin embargo, es precisamente debido a la repetición de las señales inalámbricas por lo que se reduce la velocidad media del servicio. En otras palabras, esta tecnología de mejora de la cobertura se consigue a costa de una reducción de la velocidad del servicio. Por lo tanto, para servicios como el VoLTE, que requieren una cierta garantía de velocidad, la tecnología de mejora de la cobertura de eMTC no aporta ningún beneficio.
Solución de terminal eMTC de bajo coste
La solución de bajo coste para los terminales eMTC (chips) incluye principalmente: un ancho de banda operativo más reducido. El ancho de banda operativo de los terminales eMTC es de 1,08 MHz. Aunque este ancho de banda operativo es mayor que el del NB-IoT, es mucho menor que el de los terminales LTE convencionales, lo que permite reducir los precios de los dispositivos y los requisitos de potencia de cálculo de los chips, reduciendo así el precio total; una velocidad máxima más baja; en comparación con el LTE, una velocidad máxima más baja reduce los requisitos de potencia de cálculo y de búfer del chip, lo que a su vez reduce el precio de los chips; una única antena receptora por terminal, lo que reduce el coste de los componentes de radiofrecuencia; y la solución semidúplex, que permite prescindir del duplexor de radiofrecuencia del terminal, reduciendo así el coste del mismo.
3. LoRa
LoRa es una de las tecnologías de comunicación LPWAN. Se trata de una solución de transmisión inalámbrica de ultra larga distancia basada en la tecnología de espectro ensanchado, adoptada y promovida por la empresa estadounidense Semtech. Esta solución rompe con la disyuntiva anterior entre distancia de transmisión y consumo energético, ofreciendo a los usuarios un sistema sencillo capaz de alcanzar largas distancias, una gran autonomía de la batería y una gran capacidad, lo que permite ampliar la red de sensores.
Actualmente, LoRa opera principalmente en bandas de frecuencia libres en todo el mundo, como las de 433, 868 y 915 MHz, entre otras. La tecnología LoRa se caracteriza por su largo alcance, su bajo consumo energético (larga duración de la batería), su capacidad para múltiples nodos y su bajo coste. La red LoRa se compone principalmente de cuatro partes: el terminal (que puede tener integrado Módulo LoRa ), pasarela (o estación base), servidor y nube. Los datos de las aplicaciones pueden transferirse en ambas direcciones.
Ventajas técnicas
Despliegue bajo demanda: LoRa permite planificar y desplegar la red en función de las necesidades de la aplicación, así como ubicar las estaciones base y las pasarelas según el entorno in situ, lo que facilita la consecución de una cobertura sin interrupciones. Mejorar la calidad de la cobertura también puede reducir el consumo energético y aumentar la capacidad del sistema, tanto para particulares como para empresas. Además, las organizaciones pueden implementarla de forma que se cumplan los requisitos de seguridad y se garantice la confidencialidad de los datos.
Ligero: En comparación con otros protocolos de tecnología LPWAN, LoRa presenta una menor complejidad del sistema, una implementación de hardware sencilla y unos requisitos de recursos más reducidos. El protocolo LoRaWAN, de diseño ligero, cuenta con una implementación de software sencilla, así como con una puesta en marcha y una implementación sencillas.
Bajo coste: los módulos LoRaWAN se fabrican en serie y su precio ya es inferior a 5 USD, acercándose poco a poco al de los módulos 2G. Las estaciones base para exteriores cuestan tan solo unos 500 dólares estadounidenses, y las de interior, 100 dólares. Desde el punto de vista de los operadores extranjeros, la cuota mensual de LoRa puede alcanzar entre 1/5 y 1/10 de la cuota mensual de eMTC, o incluso menos.
Comparación entre NB-IoT y LoRa
Cómo hacer frente de forma eficaz a un ARPU bajo: El ARPU de una sola conexión es muy bajo, y una inversión elevada se enfrentará al problema de una baja rentabilidad. La alta calidad, la ligereza y el bajo coste son las formas más eficaces de hacer frente a esta situación.
Ecología abierta, cadena industrial consolidada: los nodos, las puertas de enlace y los servidores en la nube son totalmente abiertos; se dispone de equipos de distintos tamaños; la red puede gestionarse de forma autónoma; y existen diferentes modelos de negocio y de funcionamiento.
La rentabilidad de la inversión es elevada y económicamente viable: si solo se tiene en cuenta la inversión en estaciones base, la tasa de retorno de LoRa, partiendo de un coste medio por estación base de 5.000 RMB, es de 6,25 meses (medio año) para recuperar la inversión en la estación base. La tasa de rentabilidad de NB-IoT, teniendo en cuenta las actualizaciones de las estaciones base y las nuevas construcciones, y suponiendo un coste medio de 150 000 yuanes por estación, es de 187,5 meses (15,6 años) para recuperar la inversión en las estaciones base.
Escenarios de aplicación
La tecnología LoRa resulta muy adecuada para aplicaciones de IoT que requieren un bajo consumo energético, largo alcance, un gran número de conexiones y seguimiento de la ubicación, como la lectura de contadores inteligentes, el aparcamiento inteligente, el seguimiento de vehículos, el seguimiento de mascotas, la agricultura inteligente, la industria inteligente, las ciudades inteligentes, las comunidades inteligentes, etc., así como otras aplicaciones y ámbitos.
Retos a los que se enfrentan
Cobertura de red a nivel urbano: LoRa no conlleva gastos de operador y, por su propia naturaleza, presenta una baja intensidad en el despliegue de la red.
Recursos del espectro: LoRa utiliza bandas de frecuencia libres, lo que puede provocar problemas de interferencias. Aunque LoRa cuenta con una gran capacidad para contrarrestar las interferencias y el protocolo LoRaWAN incorpora medidas para evitarlas, resulta difícil evitar por completo las interferencias físicas.
Medidas correctivas: Eliminar la fragmentación, crear una red de área amplia unificada, fomentar la construcción conjunta de redes y compartir recursos. Al mismo tiempo, debe ser más ligera y tener un coste menor. El coste del módulo LoRaWAN debe estar en línea con el del módulo 2G, o incluso acercarse al del módulo WiFi.
En el proceso de desarrollo y comercialización de la tecnología del Internet de las Cosas, nuestro país siempre ha carecido del dominio de algunas tecnologías clave, por lo que no es posible mejorar la calidad de los productos ni reducir su precio. La falta de derechos de propiedad independientes sobre tecnologías clave como la RFID es uno de los factores fundamentales que limitan el desarrollo del Internet de las Cosas en China. En comparación con Estados Unidos, sigue existiendo una gran brecha en cuanto a la integridad de la cadena industrial nacional del IoT. Aunque los tres principales operadores nacionales y los proveedores de equipos de sistemas, como ZTE y Huawei, ya son de talla mundial, otros eslabones de la cadena son relativamente deficientes. La industrialización del Internet de las cosas requerirá inevitablemente la plena cooperación de los fabricantes de las fases anteriores y posteriores de la cadena de suministro, como los fabricantes de chips, de equipos de detección, de soluciones de sistemas y los operadores de telefonía móvil, entre otros. Por lo tanto, para desarrollar el Internet de las Cosas en nuestro país, aún queda mucho por hacer en el ámbito institucional, como reforzar la cooperación con las autoridades del sector —tales como las de radio y televisión, telecomunicaciones y transporte— para promover conjuntamente el establecimiento de sistemas de informatización y de transporte inteligente.
Los campos de aplicación del Internet de las cosas son muy amplios, y muchas de sus aplicaciones industriales se solapan en gran medida. Sin embargo, estos sectores dependen de distintos departamentos funcionales del Gobierno. Para desarrollar aplicaciones informáticas basadas en la tecnología de sensores, como el Internet de las cosas, en el proceso de industrialización, es necesario reforzar la coordinación y la interacción entre los departamentos competentes de los distintos sectores, cooperar con una mentalidad abierta, derribar las barreras entre sectores, regiones y departamentos, promover el intercambio de recursos, y reforzar la optimización y la reforma de los sistemas, con el fin de garantizar de manera eficaz el desarrollo fluido del sector del Internet de las cosas.
En lo que respecta a las tecnologías de comunicación del IoT, cada una de ellas presenta sus propias características y ventajas para satisfacer diferentes necesidades y mercados. Las distintas tecnologías LPWAN prosperarán y coexistirán.
