Congreso Internacional en Tecnologías de la Información y Comunicaciones 2016 Red pública, abierta y gratuita de Internet de las Cosas en la ciudad de Querétaro. Mora, Armando1; Sánchez, José L.1; Sánchez, Jöns1; Chagolla, Hernando1; Mora, Ma. Del C.1 [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected] 1 Instituto Tecnológico de Querétaro, Av. Tecnológico s/n esq. Gral. Mariano Escobedo, Col. Centro Histórico, Querétaro, Querétaro, México, CP. 76000. Temática general: Marque con una “X” una de las tres temáticas generales del CITIC2016: 1. Internet de las cosas ( X ) 2. Manufactura avanzada ( ) 3. Telecomunicaciones ( ) Resumen Se presenta el estudio para la instalación de una red de datos de área amplia y baja potencia, con infraestructura simple y robusta, para proporcionar en forma pública y gratuita, el servicio de Internet de las Cosas en la ciudad de Querétaro. Con esta red, sus residentes contaran con el soporte para realizar procesos de monitoreo y control de equipos y sistemas a gran escala, con el uso del protocolo de estándar abierto LoRaWAN y el apoyo técnico especializado que brinda la comunidad global The Things Network. Los usuarios interesados en utilizar la red solo necesitan desarrollar los nodos de campo de sus aplicaciones y conectarlos en la banda libre de 915 MHz, sin necesidad de suscribirse a servicios de pago de telefonía móvil o Wi-Fi. Palabras clave: Internet de las Cosas, LoRaWAN, The Things Network. Abstract This article describes the study for the installation of a wide area, low power data network, with a simple and robust infrastructure, to provide public and free of charge Internet of Things service in the city of Queretaro. With this network, its residents will have the support for monitoring and control process in equipment and large-scale systems, using the open standard protocol LoRaWAN, and the specialized technical support of the global community The Things Network. Users interested in using the network only need to develop the field nodes of their applications, and connect them in the free band of 915 MHz, without subscribing to services of Wi-Fi or mobile telephony. Keywords: Internet of things, LoraWAN, The Things Network. 1 Congreso Internacional en Tecnologías de la Información y Comunicaciones 2016 I. Introducción Querétaro es una ciudad progresista y con tintes de modernidad ubicada en el centro de los Estados Unidos Mexicanos. Su promoción como una de las ciudades más competitivas del país, con instituciones educativas de buen nivel, servicios municipales eficaces, seguridad encima del promedio nacional y una economía floreciente, ha suscitado una alta inmigración y en consecuencia un crecimiento acelerado de su zona metropolitana, que conjunta cuatro municipios del estado de Querétaro. En la realidad, el incremento poblacional que presenta la ciudad, a la par de la escasa planeación en su desarrollo urbano, ha generado situaciones típicas de grandes urbes, como problemas de movilidad, baja calidad de servicios, alto desempleo, inseguridad y aumento en los costos de vivienda, alimentación y comunicaciones. Todo esto redunda en una disminución de la calidad de vida de los queretanos, que aun cuando es contrarrestada por el trabajo de las instancias de gobierno correspondientes, la lentitud para lograr resultados satisfactorios, tiene a la población en una posición de insatisfacción constante. La participación para resolver los problemas no es exclusiva de la autoridad en turno. Todos podemos contribuir a la solución, aportando capacidades personales o grupales. Una opción puede ser facilitar a los interesados herramientas de conectividad, para que florezca la innovación, el emprendimiento y la creatividad. Este es el sustento para establecer una red de Internet de las Cosas en la ciudad de Querétaro: proporcionar a la población un medio de comunicaciones público, abierto y gratuito, que permita el auge de negocios y aplicaciones útiles, donde se incluya el desarrollo de soluciones a los problemas que presenta la ciudad. Internet de las Cosas (loT) es un concepto que se enfoca a la interconexión digital de objetos cotidianos a Internet. El término fue utilizado por primera vez en 1999 por Kevin Ashton, mientras trabajaba en el Centro de Medios del Instituto Tecnológico de Massachusetts, para 2 Congreso Internacional en Tecnologías de la Información y Comunicaciones 2016 representar el concepto de computadoras y máquinas con sensores, las cuales se conectan a Internet para reportar su estado y aceptar comandos de control [1]. Para atender las necesidades de IoT, el mercado ha presentado diversas tecnologías de radio- frecuencia, clasificadas a partir de su cobertura, consumo de energía, escalabilidad, campo de acción, protocolos, costo, etc. Algunas de las principales tecnologías clásicas, se describen con una referencia a sus características de conectividad física para IoT (tabla 1) [2]. Tecnología Wi-Fi (802.11) Bluetooth BLE ZigBee 6LowPAN Z-Wave 2.4 GHz, 2.4 GHz, 915 Frecuencia 2.4 GHz 2.4 GHz 900 MHz 5 GHz MHz, 868 MHz Alcance ~100 m ~50 m ~500 m ~200m ~100 m Tasa de datos 600 Mbps ~1 Mbps 256 Kbps 200 Kbps 40 Kbps Potencia Alta Baja Muy baja Muy baja Muy baja Topología Estrella Estrella/malla Malla Malla Malla Interoperabilidad Alta Media Alta Baja Alta Consorcio Alianza Wi-Fi Bluetooth SIG Alianza ZigBee Google IETF Alianza Z-Wave Estándar IEEE 802.11 IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4 ITU-T G.9959 Tabla 1. Tecnologías de conectividad física de IoT. Por la disponibilidad de su infraestructura y su amplio ancho de banda, Wi-Fi es la tecnología inalámbrica preferida para realizar soluciones de IoT. Algunas de sus características que la limitan, como baja eficiencia energética y corto alcance, serán superadas por las nuevas secciones de su protocolo IEEE 802.11, que contemplan mayor penetración y alcance, menor costo y bajo consumo de energía, por lo que Wi-Fi seguirá siendo uno de los líderes de IoT. La versión de Bluetooth de baja energía (BLE) incluye menor consumo de energía, topología malla y alta inmunidad a la interferencia, además de alta disponibilidad de su especificación 4.2 con soporte de IPv6, por lo que más que un competidor de Wi-Fi, es un excelente complemento. ZigBee es una tecnología con gran éxito en redes de medidores inteligentes y domótica. Basada en el estándar IEEE 802.15.4, algunas características que apoyan este liderazgo son la topología malla de hasta 64 K nodos, su bajo costo y su mínimo consumo de energía. 3 Congreso Internacional en Tecnologías de la Información y Comunicaciones 2016 6LoWPAN o IPv6 sobre redes de área personal inalámbricas de baja potencia, es una tecnología que tiene su espacio en el dominio del IoT, con el apoyo de empresas como Google. Su fortaleza es el soporte de IPv6, aunado a un bajo consumo de energía y topología malla, por lo que marca un nivel sobre otras alternativas, con la oferta de grandes ventajas y beneficios. El protocolo Z-Wave, es una tecnología diseñada para aplicaciones de monitoreo y control en residencias, comercios, hoteles y transportes. Con más de 50 millones de productos vendidos, Z-Wave es uno de los líderes mundiales en control inalámbrico, gracias a sus características tecnológicas como topología malla, interoperabilidad, bajo consumo de energía, uso de IPv6, etc. Su operación sub-1 GHz, le permite tener bajo costo, confiabilidad y facilidad de uso. Existe un conjunto de aplicaciones de IoT que son poco consideradas por las tecnologías anteriores, debido principalmente a su necesidad de abarcar grandes extensiones territoriales, con prestaciones aceptables de confiabilidad, seguridad, consumo de energía, penetración de la señal en edificios y costo. El mercado está dando solución en dos vertientes. Por un lado están las empresas de telefonía celular y los proveedores de Internet, los cuales se están adecuando para convertirse en los competidores a vencer de las compañías dedicadas a IoT. En la otra dirección están las empresas que ofrecen redes WAN de baja potencia (LP-WAN). Las especificaciones 12 y 13 del estándar de telefonía celular 3GPP LTE, documentan las tecnologías eMTC (LTE Cat-M1) y NB-IoT (LTE Cat-NB1), orientadas a aplicaciones de IoT, gracias a sus características de alcance extendido, bajo consumo de energía y bajo costo [3]. Liberadas en junio del 2016 (especificación 13), estas tecnologías pueden catapultar a los operadores de comunicación celular al dominio del mercado mundial de conectividad para IoT, ya que en dos o tres años serán los competidores más serios. Los proveedores celulares tienen las ventajas de que disponen de infraestructura de red y de la concesión de un amplio segmento del espectro electromagnético. Los futuros clientes de IoT se pueden inclinar por el 4 Congreso Internacional en Tecnologías de la Información y Comunicaciones 2016 uso de una sola tecnología para todas sus necesidades de comunicación, proporcionada por empresas con mucho tiempo de presencia en el mercado [4]. El 802.11ah, es la primera apuesta del grupo de trabajo de Wi-Fi de la IEEE, para estandarizar productos de IoT con esta tecnología. Recientemente liberado (marzo del 2016), el 802.11ah documenta las características de una red inalámbrica en las sub-bandas de 1 GHz. La ventaja de esta versión de Wi-Fi de bajo consumo, es la gran cantidad de usuarios que utilizan el protocolo base para conectarse a Internet y que tomaran como natural seguir en el mismo ambiente para trabajar en redes de IoT [5]. Las LP-WAN son tecnologías emergentes de bajo costo y consumo de energía, con alta escalabilidad y conectividad, que ya están siendo utilizadas en aplicaciones de loT, en escenarios donde se necesita cumplir con requerimientos de alcance de decenas de kilómetros y alimentación a batería en los nodos, utilizando una infraestructura simple y robusta [6]. Tan amplio es el segmento tecnológico para las LP-WAN, que en el mercado existen varias versiones de red, algunas ya en operación y otras en arranque o desarrollo (tabla 2) [7]. Ingenu Estándar SigFox LoRaWAN Weightless Dash7 nWave RPMA Banda de 868 MHz 433/868/780/ 433/868/915 2.4 GHz Sub-1 GHz Sub-1 GHz frecuencias 915 MHz 915 MHz MHz 50 km rural 5 km urbano > 500 km 10 km urbano Alcance 10 km urbano 5 km 5 km 15 km rural LoS 30 km rural 1000 km LoS Tamaño Definido por 6 a 10 10 a 20 12 bytes 256 Bytes 14 a 32 Bytes paquete datos usuario kBytes Bytes Dispositivos 384,000 Uplink >1M, por punto de 1M por Sin límite NA 1M Downlink <100k acceso sector Nodo a Estrella sobre Estrella nodo, Topología Estrella Estrella Estrella estrella árbol estrella, árbol Tabla 2. Tecnologías LP-WAN aplicadas a IoT. SIGFOX es el nombre de una red y de un proveedor de IoT, dedicado a complementar los sistemas de conectividad tradicionales, garantizando un nivel de servicio y confiabilidad a 5 Congreso Internacional en Tecnologías de la Información y Comunicaciones 2016 escala internacional, con un costo del servicio de 1 dólar por nodo por año por usuario. Utilizando una red de comunicación simple y eficiente de protocolo abierto, SIGFOX ha instalado más de 7 millones de sus productos en 24 países. Uno de los últimos es México, donde sus operadores planean concluir en 2016 la instalación de una red en su capital, con enfoque inicial a la medición remota del consumo residencial de agua, gas y energía eléctrica, para posteriormente expandirla hacia servicios de facturación, de smart-grid y smart city [8]. LoRaWAN es el nombre de una alianza y un protocolo de estándar abierto de redes LP-WAN [9]. Su asociación de más de 300 miembros, busca convertir su tecnología en el estándar global de LP-WAN para IoT. Las empresas de la alianza están teniendo éxito instalando redes de IoT alrededor del mundo. Como ejemplos, la compañía inglesa Senet, busca cubrir 100 ciudades de Estados Unidos con redes LoRa públicas; la corporación alemana Netzikon construye y opera redes con este protocolo en varias zonas metropolitanas de Alemania; la operadora holandesa de telefonía fija y móvil KPN instaló en poco tiempo una red LoRa en su país, con 1.5 millones de dispositivos conectados, por lo que Holanda es el primer país en tener una red nacional para aplicaciones de IoT; la firma rumana FlashNet, tiene clientes en 28 países de Europa, Asia y América, gracias a su producto inteliLIGHT, un controlador de alumbrado público con tecnología LoRa. A la fecha, existen redes LoRaWAN públicas y privadas en más de 50 países. RPMA (Random Phase Multiple Access), es una tecnología de red de la empresa Ingenu, diseñada para comunicación inalámbrica máquina a máquina (M2M) en el IoT. Su objetivo es garantizar que cada dispositivo conectado sea funcional por décadas, gracias a sus características de escalabilidad, robustez y duración de las baterías [10]. Ingenu está presente en 52 países, desde la operación y control de los equipos petroleros en Nigeria, hasta la participación en servicios de Smart City y Smart Grid en 30 ciudades de Estados Unidos, cubriendo 100,000 millas cuadradas con 600 puntos de acceso [11]. 6 Congreso Internacional en Tecnologías de la Información y Comunicaciones 2016 Weightless es el nombre de un grupo y de una tecnología de estándar abierto de conectividad inalámbrica para redes LP-WAN, que opera en bandas libres bajo 1 GHz y en bandas licenciadas [12]. Cubriendo el mercado de IoT con las versiones N, P y W de su estándar abierto, Weightless ha tenido un buen recibimiento en el mercado instalando redes en Europa, en ciudades como Londres y Copenhague. DASH7 es un estándar abierto para comunicaciones inalámbricas bidireccionales de sensores y actuadores, en las sub-bandas libres de 1 GHz [13]. Su alcance medio, junto con su ultra bajo consumo de potencia, lo hacen útil en aplicaciones de alta seguridad de transferencia de paquetes de hasta 256 bytes, en ambiente externos o internos con alta penetración. nWave es una empresa dedicada al desarrollo de redes de IoT de estándar abierto y operación en bandas libres bajo 1 GHz. Utilizando tecnología de radio de banda ultra angosta, con técnicas avanzadas de radio definido por software, las redes de Nwave destacan en los aspectos de propagación de la señal, penetración en edificios, alcance, consumo de energía y costo. Con oficinas en Londres y Texas, esta empresa se ha asociado con más de 15 empresas y colaborado en 10 alianzas, ofreciendo soluciones de IoT en ambientes rurales y urbanos [14]. II. Materiales y Métodos El proceso para tener una red de IoT en la ciudad de Querétaro se describe con los pasos de listado de sus características y requisitos, definición del objetivo, selección de la tecnología y estándar, soporte tecnológico y obtención de recursos, para finalizar con el desarrollo de la red. Una vez instalada la red, es necesario promover su utilización entre los queretanos, lo cual debe incluir una etapa de capacitación para el desarrollo de aplicaciones. II.1 Características y requisitos de la red. Se listan a continuación las características y requisitos que se buscan en la red de IoT para la ciudad de Querétaro. 7 Congreso Internacional en Tecnologías de la Información y Comunicaciones 2016  Arquitectura y estándar abiertos.  Bajo costo de infraestructura y mantenimiento.  Tasa cero en los servicios de conectividad para los usuarios.  Facilidad y sencillez en el desarrollo de aplicaciones.  Soporte de aplicaciones domésticas, comerciales e industriales, en ambientes urbanos y rurales.  Disponibilidad de respaldo tecnológico suficiente.  Alto nivel de interoperabilidad y seguridad.  Capacidad de desarrollo de redes públicas y privadas.  Uso de una tecnología consolidada y con alta presencia en el mercado. II.2 Objetivo. Promover la instalación, administración y mantenimiento de una red pública, abierta y gratuita de Internet de las Cosas en la Ciudad de Querétaro, a partir del soporte tecnológico que ofrecen las empresas y asociaciones internacionales del área, para tener un medio de conectividad que apoye la innovación, la creación de negocios y el desarrollo de soluciones a los problemas que presenta la ciudad. II.3 Selección de la tecnología. Una firma independiente, líder en consultoría e investigaciones de mercado para la industria de las telecomunicaciones, la empresa Signals and Systems Telecom, liberó en octubre del 2015 el documento The M2M & IoT Ecosystem: 2015 – 2030 – Opportunities, Challenges, Strategies, Industry Verticals & Forecasts, que incluye las predicciones de conectividad de las redes M2M e IoT por tecnología, del 2015 al 2030 (tabla 3) [15]. En la tabla 3 se observa la fortaleza actual y la consolidación en los próximos años de la tecnología celular 2G y 3G en aplicaciones M2M e IoT, así como el paso de la estafeta celular a 8 Congreso Internacional en Tecnologías de la Información y Comunicaciones 2016 la tecnología LTE para IoT (5G) a largo plazo. Pero lo más interesante del estudio, es el pronóstico del crecimiento exponencial de las tecnologías WAN de baja potencia, hasta lograr el liderazgo en la conectividad de los ecosistemas M2M e IoT, a partir del 2021. Esto indica que una buena opción para la red IoT pretendida, es el uso de una de las tecnologías LP-WAN presentes en el mercado. Tecnología 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2030 Celular 2G y 3G 268 316 373 440 520 613 723 716 709 654 Celular LTE y 5G 7 14 27 52 101 197 385 423 466 998 Satelital 4 5 6 7 9 10 11 13 14 13 LP-WAN 13 57 129 222 387 602 878 1 321 1 844 7 192 Línea cableada 122 131 141 151 163 175 186 193 199 263 Otras 101 103 104 105 106 108 109 110 111 123 Total 516 625 780 978 1 286 1 705 2 293 2 776 3 344 9 262 Tabla 3. Predicciones de conectividad de las tecnologías M2M e IoT (millones de conexiones por año). II.4 Selección del estándar. Para la selección del estándar, en la tabla 4 se realiza una comparación de las tecnologías LP- WAN más destacadas, de acuerdo al nivel de cumplimiento de las características y requisitos que se necesitan en la red IoT para la Ciudad de Querétaro. Un calificación de 3 indica que el protocolo cumple totalmente con el requisito; un calificación 0 muestra un cumplimiento nulo. Estándar SigFox LoRaWAN RPMA Weighless DASH7 nWave Arquitectura y estándar abierto 1 3 1 3 3 2 Bajo costo infraestructura 3 2 2 2 3 3 Cero costo conectividad 3 3 3 3 3 3 Facilidad y sencillez 3 2 3 3 3 3 Soporte de aplicaciones 3 3 3 3 2 3 Respaldo tecnológico 3 3 3 3 3 3 Interoperabilidad y seguridad 3 3 3 3 3 3 Redes públicas y privadas 2 3 3 1 1 1 Consolidación en el mercado 3 3 3 1 1 1 Total 24 25 24 22 22 22 Tabla 4. Comparación de los estándares LP_WAN más destacados. 9 Congreso Internacional en Tecnologías de la Información y Comunicaciones 2016 Los resultados muestran que todos los estándares de red LP-WAN comparados son propios para instalar una red de IoT, destacando con una diferencia mínima SigFox, LoRaWAN y RPMA. Estos tres estándares son considerados en la siguiente sección. II.5 Soporte tecnológico para la instalación y desarrollo de la red de IoT. A la par del soporte para instalar una red pública de IoT, también se necesita disponer de los elementos tecnológicos para que los usuarios puedan construir sus aplicaciones, léase sus nodos de campo conectados a la red. SigFox ofrece kits demostrativos y de evaluación, junto con módulos de comunicación de diversos fabricantes, con los requisitos de pagar una suscripción y encontrarse en un área de cobertura de su red [16]. Otras opciones son la inscripción en su programa de empresas de nueva creación, para construir productos conectados a la red o la participación en una de las incubadoras de empresas con las que tiene convenio. La alternativa para instalar la red es convertirse en socio comercial de SigFox, con los compromisos que ello conlleva. Ingenu ofrece para los desarrolladores que viven en una zona sin cobertura, el kit RPMA Exploration, que incluye un punto de acceso en renta y dos RPMA DevKits (nodos de campo), para que el usuario establezca su propia red local [10]. Además del hardware, es necesario registrarse para el uso del software de red, con el correspondiente pago de las tasas. También se presenta la alternativa de inscribirse como socio comercial de Ingenu, para la venta y desarrollo de aplicaciones de IoT con esta tecnología. LoRaWAN no ofrece directamente productos de hardware o software para los desarrolladores, pero si certifica y promueve los productos y servicios de los miembros en su alianza [9]. Sus beneficios de asociación, junto con la alta calidad tecnológica de su estándar, ha motivado a más de 300 empresas de telecomunicaciones, fabricantes de equipos, sensores y semiconductores, integradores de sistemas, emprendedores de start-ups e instituciones, a 10