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February 18, 2021

NBIOT vs LoRaWAN vs Sigfox

Cuando nos referimos a las redes LPWAN hablamos de redes con distintas denominaciones que emplean diferentes frecuencias de transmisión y también responden a estándares propios. Vamos a ver algunas de las más importantes:

Probablemente hayamos oído hablar de las redes NB-IoT, cuyas siglas corresponden a Narrowband for the Internet of Things, o en español, ancho de banda estrecho para dispositivos conectados. Esta red, diseñada específicamente para el IoT, ya sufrió un importante avance el pasado año, cuando Vodafone y Deutsche Telekom efectuaron la primera conexión en roaming, y ya tiene previstos despliegues en no pocas regiones del planeta. Con las NB-IoT se pueden obtener velocidades de hasta 20 kbit/s en monotono y 250 kbit/s en multitono. En la actualidad, es una de las redes LPWAN más extendidas y con mayor apoyo de la industria.

Las redes LTE-M son también importantes protagonistas en los últimos tiempos, y de hecho Orange ya trabaja con ellas para sus propios dispositivos conectados, mientras Vodafone apuesta por el NB-IoT. Las LTE-M están basadas en el 4G actual aunque con protocolos específicos y muy agresivos de ahorro de energía que hacen que estén apagados siempre que no necesiten transmitir. Con las LTE-M se otienen velocidades de aproximadamente 100 kbit/s.

Además de estas redes, basadas en la infraestructura de comunicaciones telefónica móvil, hay otras como las RPMA, con un alcance de más de 10 kilómetros, como las redes ELTRES, o LoRaWAN, que emplean protocolos similares al WiFi, o como Sigfox, que llegan a los 600 bit/s de transmisión. Estas son algunas de las más importantes y conocidas pero existen otras muchas como las redes EC-GMS-IoT, Weightless o las DASH7 que están de momento en fases muy primitivas de desarrollo.

Red móvil 5G

En realidad "sólo" un estándar

5G no es en realidad un tipo de red de comunicaciones sino un conjunto de estándares. Es el paraguas acordado de frecuencias, métodos y equipos que permitirá los próximos avances tecnológicos y objetivos en banda ancha móvil y telefonía. Para aquellos en el mundo de las redes, pasar de 4G a 5G es similar a la transición de los estándares Cat 5 a Cat 6. Bajo los estándares 5G, los temas cubiertos serán las frecuencias que se utilizarán, los objetivos mínimos de calificación para el rendimiento, la latencia (retraso de la señal) y las tecnologías que se implementarán, entre otras. El mayor problema es que a día de hoy la promesa del 5G aún no está disponible.

NB-IoT vs LoRa vs SigFox

Comparando las tecnologías LPWAN más modernas

El número de dispositivos conectados sigue aumentando (y se espera que alcance los 125.000 millones para 2030), por lo que las tecnologías inalámbricas maduras que los soportan también siguen recibiendo una gran atención en todo el mundo. NB-IOT (Narrowband IOT), LoRa y Sigfox son las puntas de lanza de todas las tecnologías de red de área amplia (LPWAN) de bajo consumo.

Muchas veces los ingenieros no conocen las ventajas e inconvenientes de estas 3 tecnologías y a menudo se confrontam entre sí; pero eso no es necesariamente una imagen precisa del ecosistema de conectividad. Cada una de estas tecnologías desempeñará un papel importante en el espacio de la IoT dependiendo del caso de uso, por lo que es fundamental comprender las características y diferencias de cada una,.

NB-IoT

NB-IoT es la iniciativa del 3GPP, la organización que está detrás de la estandarización de los sistemas de tecnología celular (móviles), para abordar las necesidades de los dispositivos de muy baja velocidad de datos que necesitan conectarse a redes móviles, a menudo alimentadas por baterías. Como estándar celular, el objetivo de NB-IoT es estandarizar los dispositivos de IOT para que sean interoperables y más fiables.

Debido a que NB-IoT es una tecnología inalámbrica de grado móvil que utiliza modulación OFDM, los chips son más complejos, pero los presupuestos de enlace son mejores. Esto significa que los usuarios obtienen el alto nivel de rendimiento asociado a las conexiones celulares, pero a costa de una mayor complejidad y un mayor consumo de energía.

NB-IoT se utiliza para enviar y recibir pequeñas cantidades de datos, unas pocas decenas o cientos de bytes al día, generados por dispositivos de IoT que producen pocos datos. Está basado en mensajes, similar a Sigfox y LoRa, pero con una velocidad de modulación mucho más rápida y puede manejar más datos que esas tecnologías. NB-IoT no es un protocolo de comunicación basado en IP como LTE-M (otra tecnología celular LPWA asociada a las aplicaciones de IoT). En realidad, no puede conectarse a una red IP y esperar utilizarla como lo haría con un teléfono inteligente. Se hizo para aplicaciones de IoT sencillas y es más eficiente que el LTE-M (que se adapta mejor a un mayor ancho de banda o a aplicaciones móviles y de itinerancia), pero está diseñado para fines de comunicación más infrecuentes.

Hay fascinantes elementos geo-corporativos y políticos en juego en el desarrollo de NB-IoT; para más información, lea la excelente obra de Nick Hunn, NB-IoT is Dead. Long live NB-IoT. Nick señala que la especificación 3GPP para NB-IoT tiene dos variantes en competencia, Huawei/Vodafone vs. Ericsson/Nokia/Intel. Además, Ericsson ha declarado que la antigua infraestructura 4G basada en Alcatel no es compatible con NB-IoT. Esto significa que miles de estaciones base tendrían que ser cambiadas para que las operadoras soporten NB-IoT. A la luz de esto, la mayoría de los clientes de gran consumo se apegarán a LTE-M.

Así que NB-IoT será para dispositivos simples que necesitan conectarse a una red de operadores a través de espectro licenciado. Actualmente se está probando y experimentando sólo en Europa, y no está ampliamente disponible, excepto a través de un pequeño número de operadores en Europa que están realizando algunas pruebas. Si usted sigue a la compañía Sigfox, reconocerá esto como el intento de la comunidad 3GPP de abordar el espacio de mercado creado por redes como Sigfox.

Ejemplos de despliegue autónomo NB-IoT y despliegues LTE en banda y banda de guarda en la fuente de enlace descendente: https://arxiv.org/pdf/1606.04171.pdf.

 NB-IoT es definitivamente una tecnología a la que estar atento. Para resumir la situación actual: 

Ventajas de NB-IoT:

  • La cobertura muy buena en entornos urbanos. Los dispositivos NB-IoT dependen de la cobertura 4G, por lo que funcionarían bien en interiores y en áreas urbanas densas.
  • Tiene tiempos de respuesta más rápidos que LoRa y puede garantizar una mejor calidad de servicio.

Desventajas de NB-IoT:

  • Es difícil implementar el firmware por aire (FOTA) o las transferencias de archivos. Algunas de las especificaciones de diseño de NB-IoT hacen que sea difícil enviar grandes cantidades de datos a un dispositivo.
  • Las transferencias de red y de torre serán un problema, por lo que NB-IoT es más adecuado para activos principalmente estáticos, como medidores y sensores en una ubicación fija, en lugar de activos en itinerancia.

LoRaWAN

LoRa es una tecnología de modulación no celular para LoRaWAN. (Al igual que BPSK o QPSK es la modulación de NB-IoT.) Esos dos términos -LoRa y LoRaWAN- no son intercambiables: LoRaWAN es el protocolo estándar para las comunicaciones WAN y LoRa se utiliza como tecnología de red de área extendida.

LoRa representa una buena red radioeléctrica para las soluciones de IoT y tiene mejores presupuestos de enlace que otras tecnologías de radiocomunicaciones comparables. Pero fuera de unos pocos mercados en Europa, si desea conectarse a las redes LoRaWAN -o utilizar LoRa en absoluto- necesita desplegar su propio gateway de red.

Esto puede parecer un inconveniente, pero en realidad hace de LoRa una buena alternativa a la WiFi para los dispositivos de bajo consumo que necesitan conectarse en un edificio, como una fábrica o un hospital. Por ejemplo, es difícil encontrar un departamento de TI que apruebe la instalación de un dispositivo de terceros en su propia red debido a problemas de seguridad. La configuración de su propio gateway crea una red completamente separada y segura. De las tres tecnologías discutidas en este artículo, es la única que puede ser utilizada como tecnología "hágalo usted mismo"; cualquier empresa puede construir y utilizar su propio dispositivo conectado dondequiera que coloque la puerta de enlace.

Las diferencias entre NB-IoT y LoRaWAN más importantes son:

  • LoRaWAN utiliza espectro sin licencia. En Europa esto significa un ciclo de servicio del 1%, que limita el volumen y la frecuencia del tráfico, así como la capacidad de la estación base para controlar la red y enviar el tráfico hacia abajo.
  • LoRa es un sistema de modulación propietario vendido por Semtech Corporation. Son de hecho el único fabricante de chipsets o titular de una licencia para LoRa. NB-IoT se basa en tipos de modulación estándar, pero como es típico del 3GPP, habrá otros titulares de licencias IP que eventualmente pedirán dinero.
  • LoRaWAN también puede ser utilizado por clientes que no son operadores móviles para implementar soluciones. The Things Network es una iniciativa de creación de redes a través de LoRaWAN. Cabe señalar que las redes LoRaWAN interfieren cuando hay más de una operando en un área.
  • NB-IOT, debido a velocidades de datos mucho más altas, sofisticación MAC y estaciones base de mayor potencia, ofrecerá características más avanzadas para enrutamiento, multidifusión, emisión de firmware, etc.

En resumen,

Beneficios de LoRaWAN

  • Es perfecto para aplicaciones de un solo edificio.
  • Puede configurar y gestionar su propia red.
  • LoRa es una buena opción si necesita bidireccionalidad, por ejemplo, funcionalidad de mando y control, debido a la conexión simétrica.
  • Los dispositivos LoRaWAN funcionan bien cuando están en movimiento, lo que los hace útiles para rastrear activos en movimiento, como los envíos.
  • Además tienen una mayor duración de la batería que los dispositivos NB-IoT.

Inconvenientes de LoRaWAN

  • Tiene velocidades de datos más bajas que NB-IoT.
  • Tiene un tiempo de latencia más largo que NB-IoT.
  • Requiere una puerta de entrada (lo que también, en muchos casos, es una ventaja).

Sigfox

Sigfox es la compañía que despertó al mundo al potencial de los dispositivos IoT para usar conexiones de muy bajo ancho de banda. Sigfox es la más básica de las tres tecnologías, con las diferencias clave:

  • Sigfox tiene los módulos de radio de menor costo (<€5, comparado con ~€10 para LoRa y €12 para NB-IOT).
  • Sigfox es sólo un enlace ascendente. Aunque es posible un enlace descendente limitado, tiene un presupuesto de enlace diferente y es muy restringido.
  • Sigfox es un reproductor de red y tecnología de extremo a extremo.

Para Sigfox, sin embargo, parece tener ciertos problemas. Hasta ahora no ha desplegado redes significativas en los Estados Unidos y está luchando como compañía. Su modelo de negocio es un tanto ambicioso, ya que la compañía ya ha gastado cientos de millones de dólares para desplegar una red a la que la gente está pagando centavos para acceder. Sigfox piensa que mantener el costo de la aplicación a un nivel bajo es la manera de llevar a la gente a su mercado, pero esta línea de pensamiento ha hecho que sea difícil obtener suficientes ingresos. Al final, parece que Sigfox está teniendo dificultades en sus esfuerzos en establecerse como operador de una red celular alternativa para dispositivos de IoT.

Ventajas de Sigfox

  •        Consume una baja cantidad de energía.
  •       Funciona bien para dispositivos sencillos que transmiten con poca frecuencia, porque envía cantidades muy pequeñas de datos muy lentamente.
  •        Soporta una amplia zona de cobertura en las zonas donde se ubica.

Inconvenientes de Sigfox

  •      No está desplegado en todas partes, por lo que no funcionará en un gran número de casos de uso en la actualidad.
  •      La comunicación se dirige mejor desde el punto final a la estación base. Tiene funcionalidad bidireccional, pero su capacidad desde la estación base hasta el punto final es limitada, y usted tendrá menos presupuesto de enlace bajando que subiendo.
  •        La movilidad es difícil con los dispositivos Sigfox.

¿Qué tecnología LPWAN es la adecuada para su caso de uso?

Cada una de estas tecnologías ofrece un conjunto interesante de capacidades, aunque cabe destacar que hoy en día no hay ninguna disponible a escala en la mayor parte del mundo.

Tecnologías como LoRa/LoRaWAN se utilizarán probablemente mejor para aplicaciones "discretas" como edificios inteligentes o campus, donde no se necesita conectividad de red móvil, o despliegues propios de tecnología.

Si necesitamos una amplia cobertura a nivel nacional, o no queremos preocuparnos por el despliegue de la red, podemos acudir a operadores de red. Si el volumen de datos es reducido por cada envío, como sistemas de alarmas o similar, nuestra elección sería Sigfox. Por último, el uso de NBIoT viene condicionado en estos momentos por el despliegue, y el tiempo de desarrollo para adaptar la nueva tecnología.

Si tienes cualquier duda sobre qué tecnología emplear, podemos ayudarte a elegir la que mejor se adapta a tus necesidades

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