Comunicación presentada al III Congreso Ciudades Inteligentes:
Autores
- Bruno Cendón, CTO, TST Sistemas
- Alicia Mancheño, Gerente de marketing, Vodafone España
Resumen
Narrow Band IoT (NB-IoT) es el nuevo estándar de comunicación del 3GPP sobre espectro licenciado LTE diseñado para Internet de las Cosas. NB-IoT ofrece una cobertura adicional de 20 dB sobre conexiones 2G. Su consumo de energía es mínimo permitiendo duración de baterías de más de 10 años, tamaño de los dispositivos mínimo, un coste por dispositivo inferior y poder ubicar hasta 100.000 dispositivos en una misma celda. Estas características lo hacen idóneo para la gestión de servicios en las Ciudades Inteligentes. TST ya ha adoptado NB-IoT en varias soluciones. Esta comunicación describe la experiencia con NB-IOT en la gestión inteligente de residuos en términos de coste de equipos y comunicaciones, consumo energético o cobertura de red.
Palabras clave
NB-IoT, LPWA, Residuos, LPWA, LTE, Cat-NB, TSwasTe, TST, Vodafone, Ublox
Introducción
Aunque se presenta en muchas ocasiones como una tecnología en sí, el IoT, Internet de las Cosas, es en realidad un compendio de muchas, un paradigma tecnológico. Si revisamos la bibliografía disponible en el área, hablar de IoT es hablar de tecnologías hardware, de protocolos de comunicaciones, de plataformas en la nube, de APIs abiertos y, sobre todo, de redes de comunicaciones. Sin comunicación no existe el IoT.
El término IoT es de uso y definición relativamente reciente. Fue en 2009 cuando Kevin Ashton, en aquel momento investigador en el prestigioso MIT, quien habló de un teórico “Internet of Things” en la revista RFID journal. El concepto no surgió de la nada, era algo que venía gestándose algunos años antes con la aparición de tecnologías alrededor del M2M (Machine to Machine) o las WSN (Wireless Sensor Networks), y que en ese momento empezaba a tener entidad propia con el objetivo claro de la creación de nuevos servicios de valor añadido mediante la conexión de objetos a Internet.
Las comunicaciones en el Internet de las Cosas
El concepto presentado por Ashton, claramente atractivo y de alto potencial, carecía de tecnologías de comunicación adecuadas para su implantación, crecimiento y obtención de masa crítica. Cuando se habla de IoT, dos aproximaciones son posibles:
- Objetos conectados a Internet mediante pasarela o mediante otra tecnología a una pasarela con Internet.
- Objetos conectados directamente a Internet sin pasarela intermedia.
Objetos conectados a pasarelas con comunicaciones de corto alcance
La aproximación de conexión de objetos mediante pasarela dispone desde hace tiempo de tecnologías IP implantadas ampliamente (WiFi) o de radio de corto alcance.
Estos años hemos visto el desarrollo de tecnologías de red de corto alcance en espectro no licenciado como ZigBee, IEEE 802.15.4, Z-Wave, Digimesh, Tinymesh y otros protocolos propietarios, que conectan los objetos a una pasarela con interfaz TCP/IP conectada a la red mediante Ethernet, WiFi, celular, etc.
El inconveniente de estas redes es que se trata despliegues aislados con interoperabilidad limitada al uso de redes de corto alcance y que obligan a un costoso despliegue y mantenimiento de repetidores.
Objetos conectados directamente a Internet
La segunda aproximación, hasta ahora, sólo ofrecía la posibilidad de usar conexiones de datos en redes de telefonía móvil, ya fuesen en 2G o 3G. Estas tecnologías ofrecían ventajas de cobertura mundial y disponibilidad de hardware, si bien presentaban también inconvenientes para la evolución y crecimiento del IoT:
- No son tecnologías optimizadas para aplicaciones de larga duración (meses, años) en lo referente al consumo eléctrico. Son necesarias baterías de gran tamaño o conexión a la red eléctrica. Y, debido al consumo eléctrico, el volumen de datos transmitidos.
- El hardware, aunque cada vez más barato y asequible, tiene una complejidad asociada que dificulta obtener módems de comunicaciones a precios menores de 5$.
- 2G y 3G son tecnologías “legacy” que tenderán a desaparecer en favor de despliegues 4G y 5G.
Antes este vacío en soluciones de telefonía móvil, surgieron redes propietarias de largo alcance en espectro no licenciado, siendo las más conocidas Sigfox y LoRa.
Aunque estas tecnologías resuelven con relativo éxito el problema del consumo y del coste de HW, el uso de espectro no licenciado, en el que no existe garantía de exclusividad, con el consiguiente riesgo de problemas de concurrencia, así como la propiedad en exclusiva de estas redes a organismos o empresas incipientes, hace que apostar por estas opciones suponga un riesgo indeterminado en cuanto a su evolución y disponibilidad de servicio.
Ante el avance imparable del IoT, el 3GPP, organismo que reúne 7 organizaciones de estandarización mundiales (ARIB, ATIS, CCSA, ETSI, TSDSI, TTA, TTC), para las tecnologías 3G/4G/LTE/5G inició la definición de estándares de comunicaciones específicos para IoT con los siguientes condicionantes:
- Uso del espectro licenciado, garantía de calidad y de ausencia de interferencias por concurrencia.
- Creación de perfiles de bajas tasas de datos
- Creación de perfiles de bajo consumo eléctrico
- Posibilidad de disponer de HW de bajo coste por debajo de la barrera de 5$
- Posibilidad de ofrecer costes de comunicación reducidos y adaptados a las aplicaciones propias de IoT
Esto dio lugar a las evoluciones del LTE/4G adaptadas al IoT (Cat M1 o Cat M y Cat NB o NB-IOT). Ambas son versiones reducidas del 4G y están optimizadas para aplicaciones de bajo consumo de datos y energía y veremos su despliegue mundial a partir de 2017 dentro de la estrategia de IoT de las operadoras.
El estándar NB-IOT y su comparación con otras redes
Narrow Band IoT (NB-IoT), antes conocido como LTE Cat-NB, es un estándar del 3GPP aprobado en Junio de 2016 e incluido dentro de la release 13 de LTE. Ofrece una cobertura adicional de 20 dB sobre el GSM y, debido a su diseño, su consumo de energía es mínimo permitiendo duración de baterías de más de 10 años, tamaño de dispositivos mínimo y un coste por dispositivo inferior. Mantiene la compatibilidad con la infraestructura de red móvil existente y ofrece el mismo nivel de seguridad que el LTE. Puede desplegarse en varias bandas de frecuencia, si bien la óptima es la frecuencia de 800 MHz en la que se maximiza la penetración. Utiliza un ancho de banda de tsólo 200 kHz con una portadora autocontenida.
NB-IoT soporta hasta 100.000 dispositivos conectados a una misma celda, sin los problemas de colisión de envío que se producen en otras tecnologías de banda estrecha en espectro no licenciado. Y, a diferencia de Sigfox, es bidireccional, permitiendo usos en los que es necesario actualizar o gestionar el dispositivo de forma remota.
Además NB-IoT cuenta con todas las ventajas de una tecnología estándar, respaldada por los mayores fabricantes y operadores del mundo.
La tabla 1 muestra los valores comparativos de NB-IoT con Sigfox y LoRa, de acuerdo a las especificaciones técnicas del estándar, a los tests de campo desarrollados por Vodafone y a la información disponible de Sigfox y LoRa Alliance.
Por su sencillez, coste y fiabilidad, NB-IOT permite la implantación masiva de casos de uso hasta ahora inalcanzables más allá de pruebas de concepto: sensorización de recogida de residuos, mediciones medioambientales, contadores de vehículos y peatones, mapas de ruido, monitorización de redes de distribución de agua potable y alcantarillado, control inteligente de riego, gestión de aparcamiento y muchos otros usos aún por venir, harán de nuestras ciudades un lugar más habitable y humano.
Aplicación práctica de NB-IOT a la Gestión inteligente de residuos
El sensor de llenado de contenedores TSwasTe
TST es una startup dedicada a la creación de nuevos productos IoT. Uno de los faros de su catálogo de soluciones para Ciudades Inteligentes es TSwasTe. TSwasTe es un dispositivo de bajo coste diseñado para facilitar un despliegue rápido, económico y flexible para la gestión de residuos. Está equipado con un sensor de ultrasonidos y es capaz de monitorizar diferentes parámetros relacionados con la gestión de basuras como el nivel de llenado, la temperatura o la posición del contenedor. El dispositivo está habilitado para la reprogramación remota a través de la red. Se ofrece con una plataforma software para monitorización y visualización de datos que incluye funcionalidades de gestión de nodos, configuración, históricos, alarmas y gestión de usuarios.
Desde su concepción, el TSwasTe ha sido un dispositivo autónomo diseñado para adaptarse a la variedad de redes de comunicaciones presentes hoy en el IoT. El TSwasTe hoy en día ha sido usado en pilotos y despliegues con tecnologías 2G/GPRS, Sigfox, LoRa, WiFi e incluso ZigBee.
La experiencia que TST ha tenido con el uso de esta heterogeneidad de redes ha supuesto hasta ahora un problema de escalabilidad y optimización de costes de producto, si bien ha permitido obtener una serie de conclusiones sobre las ventajas y desventajas de cada una de las redes:
- 2G/GPRS
- Ventajas: Su disponibilidad es casi mundial.
- Desventajas: Alto consumo eléctrico. HW barato, pero no el más barato. Algunos países están desactivando las redes 2G.
- Sigfox
- Ventajas: Bajo consumo eléctrico. Facilidad de uso.
- Desventajas: Red muy débil a nivel mundial. Espectro no licenciado. Tecnología propietaria no estándar.
- LoRa
- Ventajas: Bajo consumo eléctrico. Varios perfiles de uso.
- Desventajas: Mezcla de redes operadas y no operadas. Fragmentación en brokers de recuperación de datos. Muy poca red a nivel mundial.
- WiFi
- Ventajas: Estándar mundial, accesible prácticamente en cualquier sitio.
- Desventajas: Alto consumo eléctrico. Saturación de redes en espectro no licenciado.
- ZigBee
- Ventajas: Consumo eléctrico medio. HW sencillo
- Desventajas: Falta de redes operadas. Poca cobertura. Fácil saturación de red.
En ninguna de las redes usadas hasta ahora por los sensores TSwasTe se han dado de forma conjunta tres de los requerimientos fundamentales para poder dotar de una red IoT: Cobertura mundial, bajo consumo y precio del HW del dispositivo.
Con el anuncio del despliegue en España y otros países de redes NB-IoT, TST ha unido fuerzas con Vodafone y el fabricante de chipsets ublox para lanzar un pódelo de sus sensores TSwasTe con conectividad NB-IoT. Para ello se procedió a la creación de un kit de expansión del producto existente con un modem NB-IoT y su correspondiente SIM. La experiencia de la integración del proyecto ha sido la siguiente:
- La integración del módulo de comunicaciones es directa y sencilla. Su programación es similar a la de cualquier modem 2G vía comandos AT.
- Las comunicaciones punto a punto se realizan sobre UDP, lo cual resulta sencillo desde el hardware ya que está soportado en el módulo y desde la plataforma IoT su integración es muy sencilla. Ciertos frameworks ofrecen una capa extra en CoAP, pero en este primer experimento no se ha probado.
- El consumo eléctrico es mucho más óptimo que en los módems 2G, eliminando los picos de consumo de 2 Amperios en transmisión y reduciendo a un 30% el consumo medio del dispositivo.
- Aunque la red está en pleno despliegue, es tranquilizador el uso de una tecnología de esta naturaleza en espectro licenciado y con el soporte de los principales operadores de telecomunicaciones a nivel mundial.
- El roadmap de coste de los dispositivos indica que los modem NB-IoT puedan llegar a niveles menores a los 5$ en el plazo de menos de un año. Esto será clave para el crecimiento en volumen del ecosistema.
La figura 5 muestra la comparativa de consumo de energía de los TSwasTe con distintas tecnologías. En rojo, vemos que GPRS necesita unos 20 a 30 segundos de envío y el consumo medio es de unos 200ma, con picos de hasta 2ª. Estos picos obligan a utilizar baterías que los soporten y que son mucho más caras. En verde, vemos que WiFi necesita un consumo de unos 100mA en recepción y unos 300 mA en transmisión. La negociación de la red puede hacer que la conexión y envío dure hasta 30 segundos. En azul, NB-IoT tiene un consumo de radio inferior a 100 mA y debido a que el protocolo utilizado es UDP, la duración del envío es inferior a 5 segundos.
La tabla II muestra estimaciones de duración de baterías (en años) realizadas después de las primeras pruebas según el uso programado de medidas y envío. La potencia emitida es mayor en el centro de la celda que en sus bordes, y por eso la duración de la batería es menor.
Tras esta prueba inicial, TST ha decidido la inclusión del NB-IoT en su catálogo de redes disponibles en el TSwasTe con el objetivo a medio plazo de retirar la versión 2G del mismo según vaya estando disponible la red en los distintos países.
Referencias
Ashton, Kevin, 2009, RFID Journal (22 junio 2009)
3GPP (1 febrero 2017)