The Internet of Things serves as a platform for the deployment of several applications, each with a set of di erents features. This project develops pro les of typical IoT applications to be tested using two LPWAN technologies: LoRaWAN and Sigfox. The proles of applications represent devices in Smart Cities, e-Health, and Smart Farming, simulating its features in an experimental development platform with a development board. The results shows better performance for Sigfox, but it depends of the infrastructure of the networks and the programming of the devices. With these tests, this project aims at proposing a guidance for IoT developers that need to choose the communication technology that better suits an IoT application.
El Internet de las Cosas (en adelante, IoT por sus siglas en ingles) es un concepto que ya se ha implementado en el mundo actual siendo considerada como un actor fundamental de una nueva Revolucion Industrial. La posibilidad de interconexion de dispositivos (Machine to Machine, M2M), de compartir datos entre ellos sin intervencion humana, entrega una gran gama de posibilidades que atraen la atencion ante el paradigma IoT. Practicamente todos los sectores de la industria se veran afectados de alguna u otra forma con la interconexion de sus dispositivos, siendo algunos de ellos la agricultura, las smart cities, la energ a (smart meters y smart grids ), el monitoreo industrial, la domotica, la telemedicina, el cuidado de la salud, el seguimiento de objetos y un largo etcetera. Esto ha provocado la aparicion de las redes de baja potencia y area ampliada (LPWAN) que genera soluciones en alcance extendido, larga duracion de bater as y escalabilidad.
Hoy en d a, muchos desarrolladores que utilizan
LPWAN se han inclinado en el uso de LoRaWAN como
red de comunicacion, mas de 500 compan~ as la han
implementado sin contar a las personas independientes
que tambien lo han hecho [LA], mientras que Sigfox
busca convertirse en una red con cobertura mundial
para el Internet de las Cosas que la hace atractiva para
la industria, esperando alcanzar los mil millones de
dispositivos co
LoRaWAN es el estandar LPWAN mas utilizado y que cuenta con mayor cantidad de publicaciones [HDMH18]. La capa f sica trabaja bajo los fundamentos de LoRa (Long Range) que utiliza Chrip Spread Spectrum como modulacion. Se habla de LoRaWAN cuando se agrega a esta tecnolog a un protocolo MAC que permite la con guracion de una red de dispositivos y que se estandarizo con la LoRa-Alliance. Por otro lado, Sigfox utiliza una tecnolog a con un ancho de banda ultra delgado (Ultra NarrowBand ) que, segun la region, va a ser de 100 Hz o de 600 Hz, dependiendo de esto, puede alcanzar tasas de transmision de 100 bps a 600 bps respectivamente. Sigfox utiliza para el uplink la modulacion D-BPSK, que le da caracter sticas robustas ante el ruido y sensibilidad en largos alcances Para encontrar los requerimientos de las aplicaciones IoT se recopilaron proyectos en las areas de Cuidado de la Salud, Agricultura y Smart Cities publicadas en la literatura. Con ello, se levantaron per les que caracterizan estos rubros y se adecuaron cuatro pruebas para simular cada uno de ellos. En la prueba 1, se env an mensajes de 2 bytes cada minuto simulando el levantamiento de datos en el cuidado de la salud sin apagar el dispositivo (modo sleep) ya que el levantamiento de datos de estos sensores buscan estar activos todo el tiempo. La prueba 2 simula casos de Smart Farming, donde se levantan datos de varios sensores en espacios de 30 minutos utilizando el modo de espera deepsleep dejando el dispositivo en un consumo de muy baja potencia (alrededor de 5 mA). La prueba 3 es para dispositivos que deben enviar su estado continuamente, y, en la prueba 4, se simulan sensores que requieren enviar datos en espacios de tiempo mas largos. Estas pruebas se resumen en la tabla 1.
Los datos anteriores se prueban a traves de rutinas implementadas en una LoPy4 que cuenta con cuatro estandares de comunicacion inalambrica, entre ellas Sigfox y LoRa. Esta se con guro previamente en el backend de Sigfox que contaba con una buena sen~al promedio y se conecto a LoRaWAN utilizando la plataforma abierta The Things Network (en adelante, TTN), a la cual se acced a a traves de una segunda LoPy4 programada como nanogateway y ubicada a 300 metros del lugar de las pruebas. Se testearon las cuatro pruebas. Cada una de ellas para Sigfox, LoRaWAN con spreading factor 7 y LoRaWAAN con spreading factor 12. En cada prueba se midio la abilidad de la transmision y el uso de las bater as utilizadas.
Las pruebas realizadas en la LoPy4 para cada conguracion (Sigfox y LoRaWAN con ambos Spread Factors) consistio en la programacion de los cuatro per les de la tabla 1 en la tarjeta de desarrollo para enviar los mensajes a su respectivo backend y ser decodi cado conforme a la aplicacion que se utilice. Este proceso se probo para Sigfox usando la infraestructura que da cobertura a toda la zona urbana de Santiago de Chile y por LoRaWAN a traves de un nanogateway ubicado a 300 metros del dispositivo LoPy4 sin una l nea de vista directa, recopilando la cantidad de mensajes enviados exitosamente y la intensidad de corriente electrica utilizada por el dispositivo durante su funcionamiento. 3
Los resultados de las pruebas anteriores en abilidad y duracion de las bater as se resumen a continuacion, cabe destacar que las pruebas se realizaron en un tiempo de 2 horas y media en el caso de aquellas pruebas que requer an mensajes por minuto. Durante 36 horas en el caso de la Prueba 2 y durante 5 d as en el caso de la Prueba 4. Los resultados en la abilidad se muestran en la tabla 2 y presentan el porcentaje de exito de los mensajes enviados a sus respectivas redes o PDR (Packet Delivery Ratio).
100% 100% 100% 100%
60.3% 70.8% 72.4% 70%
97.8% 89.3% 97.2% 100%
Por otro lado, las pruebas en la duracion de las bater as se midieron a traves de un sensor de corriente que recolectaba los datos de corriente electrica de la placa de desarrollo durante sus procesos, con esto se puede estimar la duracion de los dispositivos conforme a la capacidad de las bater as utilizadas. La tabla 3 muestra el consumo promedio en miliamperes en un lapso de 1 hora para cada tecnolog a. Los resultados al medir la abilidad claramente muestran un exitoso desempen~o en las transmisiones de la red Sigfox, logrando la llegada de todos los mensajes a su backend, distinto al caso de LoRaWAN donde su desempen~o depende del Spread Factor utilizado, siendo en promedio cercano al 70% en el caso de Spread Factor 7 y llegando a 95% en promedio para Spread Factor 12. Y si bien esto podr a sugerir que una red se desempen~a mejor que la otra, en realidad tiene que ver con las infraestructuras distintas con la que se cuenta en ambos casos. Mientras que Sigfox tiene una red de varias estaciones base levantadas en la Region Metropolitana dando cobertura practicamente a todo el sector urbano de la capital chilena, la red LoRaWAN levantada para este experimento conto solo con un nanogateway colocado al interior de una casa que le brindaba conexion a traves de WiFi, sin dejar la antena al exterior y sin posibilidades de utilizar Data Rate Adaptativo al no ser multifrecuencias o para multiples Spread Factors.
Por otro lado, el consumo energetico de los nodos es similar en ambas redes, siendo en general levemente mayor en el caso de LoRaWAN y que al ponerlo en una perspectiva larga en el tiempo arroja mayor duracion para la conexion a Sigfox. Esto puede deberse al comportamiento energetico al momento de enviar un mensaje que, en promedio, es levemente menor para el caso de Sigfox que en LoRaWAN. Cabe destacar que el uso de per odos de deepsleep en tarjetas de desarrollo como LoPy4 puede entregar niveles de corriente en el orden de los microamperes, generando usos de bater a mas prolongados en el tiempo.
seleccion de redes 4
Gu a de inalambricas Como aporte nal, a partir de la revision de la literatura y de los experimentos con per les, se propone una gu a para la seleccion de tecnolog as de comunicacion para desarrolladores de aplicaciones IoT. Se divide en tres partes principales descritas a continuacion. 4.1
Parte 1: De niciones de la Aplicacion
Generalmente, un dispositivo IoT cuenta con una CPU, sensores, actuadores y una tecnolog a de comunicacion, como se representa en la gura 1. Con esto se proponen los siguiente puntos que ayuden a de nir la tecnolog a a utilizar.
• Datos a enviar: Se debe de nir el tipo de dato a enviar, sean fotos, videos, audio, data alfanumerica u otro. • Taman~o de los datos: Se de ne el taman~o en bytes que tendran en promedio los datos. • Optimizacion de los datos: Dependiendo del tipo de sensores, es posible que los datos puedan optimizarse, haciendo env os mas pequen~os y con la informacion su ciente. • Frecuencia de los mensajes: Se de ne la frecuencia de env o de los datos generados. • Downlink: Es necesario de nir si la aplicacion requiere de mensajes provenientes de la red al dispositivo. • Latencia: Hay aplicaciones que requieren de tiempos de respuesta muy rapidas, si ese es el caso se requiere de bajas latencias en la comunicacion. 4.2
Parte 2: Aplicaciones de Alto Throughput Con las de niciones anteriores de la aplicacion se puede realizar la primera seleccion. Si la aplicacion tiene un gran taman~o de datos (sobre los 500 Bytes), una alta frecuencia de env o de mensajes (en el orden de segundos) o requiere de bajas latencias (en el orden de milisegundos), entonces se deben utilizar tecnolog as de comunicacion de alto throughput, como WiFi, Bluetooth, o las redes celulares 3G/4G (y 5G en el futuro proximo). En el caso contrario, las redes LPWAN pueden ser una solucion. 4.3
Parte 3: Seleccion de LPWAN La eleccion de una LPWAN, espec camente entre Sigfox y LoRaWAN va a depender de puntos mas espec cos de la aplicacion, ambas van a cumplir con los requerimientos generales, sin embargo, hay que tener en cuenta los siguientes puntos para su eleccion: • Infraestructura: La red Sigfox cuenta con estaciones base en zonas espec cas, si no se cuenta con cobertura, se debe optar por otra red LPWAN como lo puede ser LoRaWAN que permite el levantamiento de cobertura con un gateway que cuente con conexion a Internet. • Cantidad de mensajes y taman~o: Se debe tener en cuenta la limitacion diaria de mensajes en Sigfox (140 mensajes diarios en uplink y 4 en downlink), que puede ser insu ciente en algunos casos y tambien el taman~o (hasta 12 bytes), LoRaWAN no tiene un l mite de nido, sin embargo, no se recomienda el uso de una gran cantidad de mensajes ya que puede provocar colisiones entre dispositivos en una misma zona y bajar la abilidad. • Fiabilidad: Los resultados indican que zonas con buena cobertura Sigfox entrega muy buenos resultados en abilidad al contrario de LoRaWAN. Se recomienda estimar la abilidad permitida por cada dispositivo, y en casos cr ticos, preferir aquella que entregue mayor con anza. • Bater a: Los resultados de este experimento entrega mejores resultados en Sigfox para el uso de las bater as, sin embargo, estos van a depender de la programacion del dispositivo, los sensores y actuadores utilizados y el ahorro de energ a en los tiempos de reposo para una mayor duracion. 5
Este trabajo muestra que las redes LPWAN son tecnolog as de comunicacion inalambrica competitivas para las aplicaciones IoT, su utilizacion depende en gran medida de la infraestructura y de la programacion realizada en los dispositivos nales. Se elaboro una gu a para facilitar a los desarrolladores la eleccion de la tecnolog a LPWAN que mejor se ajusta a las necesidades de las aplicaciones IoT. Para este proyecto, los mejores resultados se vieron en Sigfox, sin embargo, las condiciones var an conforme a la cobertura y a la disposicion de los dispositivos. Por lo que como trabajo futuro se propone realizar pruebas en cobertura, movilidad y generar opciones de ahorro energetico para usos largos en el tiempo. 6
Este proyecto ha sido apoyado por el Proyecto ANID FONDECYT 1201893 y por el Proyecto ANID Basal FB0008. [Dah19] [LA] [OKR19]
layer protocols for internet of things: A survey. Future Internet, 11(1), 2019.