Redes LPWAN. Pilar Fundamental en la evolución de Internet.

Mauricio Gutiérrez Montor
5 jul 2022
7 Min. de lectura

Figura 1. Internet es la red que une a múltiples tecnologías y dominios de redes de datos.

Internet es la red que interconecta y une a múltiples redes de datos. Una red de datos es un sistema en el que una gran variedad de dispositivos electrónicos tales como las computadoras y smartphones pueden intercambiar información representada en forma de señales digitales. Seguramente conoces dos ejemplos de redes de datos de área local (LAN): la red alámbrica Ethernet y la inalámbrica WiFi, que te permiten, por ejemplo, que puedas acceder a una aplicación de redes sociales por medio de un smartphone o computadora dentro de tu hogar, escuela o trabajo. También conoces las redes de datos de área amplia (WAN), te puedo mencionar como ejemplo a la red celular inalámbrica 4G LTE con la que puedes escuchar música y podcast o recibir las actualizaciones de tráfico de tu aplicación de mapas incluso cuando estás fuera de tu casa y en movimiento.

¡Mucho ojo! Recuerda que la comunicación celular no se realiza a través de satélites. La mayoría de las torres de comunicación que observas en la calle cargan las antenas que conectan a tu teléfono móvil.

La Internet es el protocolo de red que permite que, por ejemplo, WiFi y 4G LTE se “puedan entender” y trabajar juntos para comunicar a dos usuarios remotos y conectados de manera distintas. Sin Internet no podrías enviar un mensaje estando conectado a la red WiFi de tu casa pretendiendo que el destinatario lo pueda recibir estando en otra ubicación utilizando “datos móviles”. Por esta razón, a Internet se le denomina “la red de redes”.

La Web es solo una de las muchas aplicaciones de Internet, mediante la cual puedes navegar por páginas o redes sociales a través de tu navegador web. Otras de las aplicaciones son el correo electrónico, las redes de blockchain, las redes P2P, el acceso remoto y la telefonía IP.

Hace aproximadamente 10 años, de la investigación y desarrollo tecnológico surgió otra categoría de redes de datos denominadas Redes de Área Amplia de Baja Potencia o LPWAN por sus siglas en inglés (Low Power Wide Area Network). Este tipo de redes es un pilar fundamental del Internet de las Cosas (IoT). El Internet de las Cosas es una de las revoluciones más grandes que ha tenido la Internet desde su invención, consiste en la incorporación de los objetos cotidianos tales como refrigeradores, lámparas, juguetes, automóviles, sensores, ropa, entre otros, al tren de la comunicación digital proporcionada por Internet, e incluso permitiendo que estos dispositivos puedan iniciar comunicaciones entre ellos de forma autónoma en beneficio de la sociedad, pero sin la intervención humana.

Las redes LPWAN permiten dar conexión a una gran cantidad de dispositivos pequeños limitados en su capacidad de almacenamiento de energía, en un área de cobertura muy extensa. Algunas de estas redes forman parte de la denominada quinta generación de las comunicaciones móviles (5G). Han sido desarrolladas por múltiples investigadores e ingenieros alrededor del mundo, e incluso en México, el Instituto Politécnico Nacional a través del Centro de Desarrollo Aeroespacial está investigando la normatividad presente en este tipo de redes y su aplicación en el campo aeroespacial. También es un área de especialización de la carrera de Ingeniería Telemática de la Unidad Profesional Interdisciplinaria en Ingeniería y Tecnologías Avanzadas (UPIITA).

Recientemente la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME) unidad Zacatenco presentó un proyecto de campus inteligente utilizando una red de tipo LPWAN (LoRaWAN) con un área de cobertura que abarca gran parte de la Unidad Adolfo López Mateos del IPN. En el XX Congreso Nacional de Ingeniería Electromecánica y Sistemas realizado del 24 al 26 de noviembre de 2021 de manera virtual se presentaron varios trabajos de investigación en torno a este proyecto

Pero ¿En qué consisten? ¿Cuáles son sus aplicaciones?

Las redes LPWAN son un tipo de red inalámbrica con las siguientes características:

Generalmente, tienen una topología estrella. Observa la figura 2, el círculo del centro representa al gateway, mientras que los círculos de los extremos representan a los dispositivos usuarios. Las líneas que los unen son los enlaces inalámbricos LPWAN. El conjunto formado por el gateway, los dispositivos usuarios y sus enlaces forman precisamente a la red LPWAN.
El gateway se encarga de recibir todos aquellos paquetes de datos enviados por los dispositivos usuarios a través de los enlaces LPWAN y luego los encamina al resto de Internet a través de otras redes de mayor jerarquía. También recibe los datos provenientes de Internet y los reenvía por medio de la red LPWAN a los dispositivos usuarios destinatarios. El gateway es como el “módem” WiFi de tu casa. Tu teléfono móvil se conecta de manera inalámbrica al “módem” WiFi, luego tu “módem” se conecta con el resto de la Internet a través de otra red de mayor jerarquía, ya sea de tecnología alámbrica como HFC (coaxial, cobre), ADSL (par trenzado telefónico, cobre) o FTTH (fibra óptica); o inalámbrica como con los servicios de Internet Satelital o Internet Celular Fijo (conocido comercialmente como “Internet en Casa”).
Los dispositivos usuarios generalmente son aparatos de dimensiones reducidas tales como pequeños sensores y actuadores que incorporan baterías de capacidad limitada. A pesar de estas limitaciones, las características de la red LPWAN permiten que estos dispositivos puedan operar sin ninguna sustitución o recarga de baterías por alrededor de 10 años ¡No se compara para nada con la duración de la batería de un teléfono móvil! Por esta razón es que se utiliza el término “Low Power” en el nombre de este tipo de red.
Tienen una cobertura de área amplia. Los enlaces pueden tener distancias que van desde los cientos de metros hasta las decenas de kilómetros.
Permiten conectar una gran cantidad de dispositivos a la vez, en una densidad mucho mayor a la que se observa con los smartphones en un área geográfica dada.
Las tasas de transmisión de datos que este tipo de redes permiten son limitadas, siendo menores de 100 Kbps (se transmiten menos de cien mil bits por segundo). Para tener un punto de comparación, una red WiFi 802.11n te permite tener tasas de transmisión de 60 Mbps, es decir, 600 veces más rápido que LPWAN. Por otro lado, una red Gigabit Ethernet 802.3ab, permite conexiones de 1000Mbps, es decir 10,000 veces más rápido que LPWAN. Las compañías de internet promocionan paquetes de velocidades de 30Mbps, 10Mbps, 300Mbps o velocidades incluso superiores. Los operadores celulares en México logran para 2021 un promedio de 34.74 Mbps de acuerdo con Speedtest. Los dispositivos usuarios no requieren de tasas de transmisión de datos muy grandes, puesto que no consumen una gran cantidad de información como lo hacemos por ejemplo al ver una película en Netflix. Es más, los dispositivos generan más datos para ser enviados a Internet (carga) de los que consumen (descarga), pero también en cantidades muy inferiores si lo comparamos con lo requerido para transmitir en vivo algún evento en Facebook o cargar un archivo a la nube. Además, estos datos son generados en intervalos de tiempo grandes, por ejemplo, cada hora. Recuerda que los dispositivos usuarios son generalmente pequeños sensores o actuadores.

¡Ten cuidado! No es lo mismo un megabyte por segundo (MB/s) que un megabit por segundo (Mb/s o Mbps). Cuando la letra utilizada es “B” mayúscula nos referimos a “bytes”, mientras que “b” minúscula se refiere a bits. Un byte equivale a 8 bits.

Las aplicaciones de este tipo de red son las siguientes:

Campo inteligente: en este, se incorporan sensores que recolectan información acerca de las condiciones ambientales. Por ejemplo, la temperatura, la humedad, el nivel de CO2, etcétera.
Ciudad inteligente: existen, por ejemplo, medidores de agua y luz inteligentes conectados a la red, sensores de nivel de contaminación, semáforos inteligentes, entre otros
Industria inteligente: sensores de presión, de temperatura, concentración, detección de gases, entre otros. Actuadores como sistemas de alertamiento, encendido y apagado de máquinas, entre otros.

Figura 2. Red LPWAN. En la torre se observa el gateway y su conexión con el resto de Internet. Los dispositivos usuarios se encuentran en diferentes ubicaciones según su aplicación. Si bien los datos que cada uno de los dispositivos envía son muy puntuales y se generan en intervalos de tiempo grandes, la gran densidad de sensores en un área geográfica genera una gran cantidad de datos (Big Data) que confluyen a través de Internet hacia servidores de la Nube Informática, donde son procesados y utilizados por otros sistemas. Recuerda que la información es poder. Estos datos ayudan a expertos y responsables a tomar decisiones más acertadas sobre qué hacer, por ejemplo, para optimizar un proceso de fabricación de algún producto o mejorar la calidad de los cultivos. Incluso el proceso de análisis actualmente se realiza de forma automática por medio de Inteligencia Artificial, y mediante la robótica se logra que las acciones en consecuencia también sean automáticas. Aquí es donde múltiples tecnologías se unen.

Las redes LPWAN más populares en la actualidad son LoRaWAN, Sigfox, LTE-M y NB-IoT, siendo las últimos dos, parte del proyecto 3GPP que desarrolla los estándares de las comunicaciones móviles de banda ancha 4G LTE y 5G.

Figura 3. Comparativa de tecnologías de redes PAN, LAN, WAN, LPWAN inalámbricas y satélite, en cuestión de la distancia, velocidad y consumo energético.

Estas tecnologías siguen en continuo desarrollo. Los investigadores se enfrentan a problemas tales como garantizar la seguridad de los datos, ya que al tratarse de dispositivos muy pequeños no se pueden implementar los mecanismos de seguridad que actualmente utiliza por ejemplo un teléfono inteligente. Otro reto es permitir comunicaciones de mayor velocidad sin dejar de lado la característica clave de la eficiencia energética por la cual las baterías de los dispositivos usuarios duran 10 años. Por último, uno de los retos es que estas redes sean escalables y que fácilmente se puedan extender alrededor del mundo para comunicar millones de pequeños dispositivos. Parece que no, pero todos estos desafíos tecnológicos tienen origen en las limitaciones que la naturaleza impone, como con todo. Te invito a explorar más acerca del tema y de las posibilidades que tiene esta tecnología.