Cómo crear una red eficiente entre el Internet de las Cosas y las constelaciones de satélites

Un total de 4.600 millones de personas están conectadas a Internet a través de sus teléfonos móviles. Para cada una de estas personas, hay más de tres dispositivos que se comunican con Internet. El Internet de las Cosas (IoT) se compone de todos los objetos conectados, cuyo número va en aumento: los 15 mil millones de hoy Se espera que hayan aumentado a 30 mil millones al final de la década.

El IoT, que incluye objetos que van desde automóviles hasta sensores de riego, estaciones meteorológicas en lugares remotos y drones autónomos, está abriendo innumerables nuevas oportunidades para las comunicaciones y los datos. Sin embargo, también enfrenta obstáculos importantes.

Una de las principales barreras tiene que ver con cómo conectar objetos a Internet en lugares donde no existe una infraestructura de red móvil. La respuesta parece estar en los satélites de órbita terrestre baja (LEO), aunque la solución presenta sus propios desafíos.

Un nuevo estudio Dirigido por Guillem Boquet y Borja Martínez, dos investigadores de la Universitat Oberta de Catalunya (UOC) que trabajan en el grupo de Redes Inalámbricas (WINE) del Internet Interdisciplinary Institute (IN3) de la universidad, ha examinado posibles formas de mejorar la coordinación entre miles de millones de objetos conectados en la superficie de la Tierra y los satélites en su atmósfera.

El artículo está publicado en el Revista IEEE de Internet de las cosas.

La importancia de los satélites para el IoT

El crecimiento exponencial del Internet de las Cosas durante la última década ha impulsado la innovación en campos muy diversos que van desde la logística hasta las ciudades inteligentes, la agricultura y el transporte marítimo, entre otros. En gran medida, la revolución de la IoT ha sido posible gracias a la eficacia de lo que se conoce como redes de área amplia y de bajo consumo (LPWAN) y la infraestructura terrestre construida para las telecomunicaciones móviles.

Sin embargo, a pesar de su gran eficacia, esta solución adolece de un problema sin resolver: cómo conectar dispositivos IoT en lugares remotos y zonas rurales donde esta infraestructura no está disponible.

Las constelaciones de satélites LEO han surgido en los últimos años como una solución alternativa capaz de superar las limitaciones de las redes terrestres. «Los satélites LEO son particularmente relevantes cuando se trata de IoT porque, al estar más cerca de la Tierra, necesitan menos potencia de transmisión para lograr una comunicación confiable. Esto significa que los dispositivos pueden ahorrar energía, extender la vida útil de la batería y ahorrar en costos de mantenimiento», afirmó Boquet. .

«Entre otras ventajas, desplegar un satélite en órbita terrestre baja es considerablemente más barato, lo que significa que se pueden ofrecer servicios de conectividad a precios más razonables para el IoT».

Además, los satélites LEO –como los satélites Spacex Starlink y Eutelsat OneWeb y el proyecto Kuiper de Amazon– permiten una latencia (retraso entre comunicaciones) mucho menor que los satélites geoestacionarios, tienen muchos más satélites en operación y mayor cobertura, se pueden desplegar mucho más rápidamente y son Adecuado para su uso en comunicaciones en muchos sectores. Sin embargo, utilizar esta opción para IoT conlleva sus propios desafíos.

Desafíos del uso de constelaciones de satélites para IoT

El uso de satélites como parte de la red IoT presenta sus propios problemas. Algunos de ellos se relacionan con el desarrollo de la industria (es poco probable que podamos desplegar megaconstelaciones de satélites para garantizar una cobertura ininterrumpida en el corto plazo debido a su baja rentabilidad cuando se utilizan para IoT), y otros se relacionan con limitaciones relacionadas con la forma en que se ha diseñado la tecnología en sí, como la mayor probabilidad de interferencias entre las comunicaciones, las limitaciones en el uso de energía de los dispositivos IoT y las dificultades involucradas en la sincronización de los ciclos de trabajo de estos dispositivos con los intervalos de disponibilidad de las comunicaciones satelitales.

«Los dispositivos IoT tienden a funcionar con baterías y tienen intervalos regulares de ciclos de funcionamiento en reposo y activación para ahorrar energía. Estos ciclos de trabajo regulares se utilizan comúnmente en las comunicaciones terrestres, donde incluso están estandarizados. Sin embargo, como las constelaciones LEO no lo hacen proporcionar una cobertura ininterrumpida, lo que se obtiene son ventanas de comunicación cortas e irregulares», afirmó Boquet.

«Por lo tanto, necesitamos desarrollar estrategias de sincronización más avanzadas para garantizar una comunicación confiable y el acceso a las oportunidades de conexión que brinda la red satelital».

Cómo mejorar la sincronización entre satélites y dispositivos IoT

Los modos de ahorro de energía en los dispositivos IoT, basados ​​en los tiempos de conservación de energía durante los cuales pueden extender la vida útil de la batería al entrar en modo de suspensión, se basan en períodos regulares. Pero no es así como funcionan las constelaciones de satélites. Para sincronizar las necesidades de los objetos conectados con los tiempos de acceso a los satélites LEO, debe poder predecir dónde estará cada satélite y cuándo se abrirá la ventana de comunicación.

«Nuestra solución propuesta es sincronizar las necesidades de transmisión de la aplicación IoT y las necesidades de comunicación de la red, por un lado, con los tiempos de disponibilidad del satélite, por el otro. Esta sincronización se basa en la capacidad de predecir estos tiempos utilizando un modelo de la trayectoria orbital del satélite. , partiendo de un punto inicial conocido», afirmó Boquet.

«Sin embargo, hacer predicciones tiene un coste en términos de energía, ya que requiere realizar operaciones de cálculo periódicas y actualizar el modelo predictivo cuando se desvía de la situación real».

La solución desarrollada por los investigadores de la UOC se ha probado en una situación real de comunicación con el nanosatélite Enxaneta, el primer satélite desplegado por la Generalitat de Cataluña en el marco de su proyecto NewSpace. Los resultados fueron prometedores: la tasa de acceso al satélite mejoró hasta un 99%, garantizando un acceso a largo plazo a la red y minimizando el consumo de energía del dispositivo.

«Los siguientes pasos son completar el análisis de costo-beneficio de implementar la solución, teniendo en cuenta diversas aplicaciones, redes de servicios, tipos de constelaciones de satélites, dispositivos IoT y tecnologías de comunicación; y luego proponer e implementar modos de ahorro de energía que adaptarse automáticamente a las necesidades de comunicación y a las condiciones cambiantes de las redes no terrestres», afirmó el investigador.