Estudio de los efectos producidos por el crecimiento de internet de las cosas en el espectro de radiofrecuencia.

Abstract

En los últimos diez años, el mundo de las telecomunicaciones se enfocó en el desarrollo y la implementación de una infraestructura de internet de las cosas (IoT), así como en casos de aplicación y de negocios basados en IoT. Sin embargo, la mayoría de las implementaciones se han realizado sobre redes preexistes conectadas a internet o también llamadas Over-The-Top. Esto se debe en gran medida a la naturaleza agnóstica de la red en muchas aplicaciones de IoT de consumo masivo. Las aplicaciones de IoT se conectan directamente a sus proveedores de IoT a través de conexiones abiertas a Internet, utilizando infraestructura de redes comerciales. En el ámbito de la República Argentina se ha regulado la banda de operación de redes de internet de las cosas de espectro no regulado en el espectro radio eléctrico en 915 MHz. Las bandas no licenciadas no son las mismas en diferentes partes del mundo. Teniendo esto en cuenta, esta tesis se propone responder la siguiente pregunta: ¿Cuáles son los factores principales que influyen en mayor medida en la operación viable de una red de internet de las cosas en el espectro de radio frecuencia no licenciado de la República Argentina? Para ello se plantea como objetivo principal: evaluar los factores que influyen en mayor medida en la operación viable de una red de internet de las cosas en el espectro de radiofrecuencia no licenciado de la República Argentina, y como objetivos específicos: identificar los parámetros de operación más importantes de una red de internet de las cosas, describir qué factores influyen en mayor medida en la operación de una red IoT, comparar modelos teóricos de operación de redes IoT con resultados experimentales y/o simulados y, calcular el efecto de la variación de la cantidad de dispositivos en los parámetros de operación más relevantes. Y, plantea dos hipótesis de trabajo: i) la cantidad de dispositivos influye significativamente en la operación viable de una red de internet de las cosas en el espectro de radiofrecuencia no licenciado de la República Argentina y ii) La diversidad de áreas de aplicación influye significativamente en la operación viable de una red de internet de las cosas. Para probar las hipótesis y cumplir los objetivos se definieron algunos parámetros mediante búsqueda bibliográfica exhaustiva y se realizaron una serie de experimentos concatenados. Se analizaron las principales alternativas de los protocolos de IoT que no requieren de una banda licenciada, particularmente los de Redes amplias (WAN) de baja potencia (LP-WAN) y las comparó con los protocolos basados en dispositivos móviles de banda licenciada como LTE-M y NB-IOT. Dado que las bandas no licenciadas no son las mismas en diferentes partes del mundo, el alcance de esta tesis es analizar el crecimiento de la cantidad de dispositivos utilizando este tipo de redes en el ámbito de la República Argentina. Se definió como marco teórico los principales de redes de internet de las cosas y, en detalle del protocolo LoRaWAN como caso más representativo de redes en espectro no licenciado. A su vez, se realizó un estudio teórico de los factores principales más influyentes en la performance de este tipo de redes que sirvieron para definir el alcance: la cantidad de espectro disponible, la cantidad de dispositivos, y el terreno donde la red se encuentra desplegada. Posteriormente, se realizó un análisis detallado y una implementación real de una red con el objetivo de determinar experimentos que permitan validar bajo condiciones reales —tanto de laboratorio como de campo— el efecto de los factores identificados como principales. Esto llevó a la realización de las pruebas en tres diferentes puntos representativos de una ciudad, y en cuatro puntos de un escenario rural con el objetivo de confirmar los resultados teóricos y la validación de los modelos de propagación en los dos escenarios diferentes (rural y urbano), con los parámetros de red aplicables a la República Argentina. Por último, a efectos de validar la hipótesis de la influencia de cantidad de dispositivos, se utilizaron tanto los modelos teóricos como los ajustes obtenidos en el campo para realizar catorce escenarios de simulación. Estos permitieron concluir que la performance de las redes se ve afectada por el aumento de la cantidad de dispositivos, el periodo del ciclo actividad de estos, y por ende del tipo de medición que realizan, variando sus límites según el escenario sea urbano o rural y por la cantidad de canales que se dedican al servicio. Con las conclusiones obtenidas y los datos de los análisis previos se propone un modelo de cobertura de red y de localización de puertas de enlace LoRa para optimizar la implementación de este tipo de redes donde en general se verificó una buena correlación entre la ubicación actual de los equipos activos de red con la localización potencial de puertas de enlace LoRaWAN. Finalmente, y como puntapié para trabajos futuros se propone: trabajos en el análisis automatizado de los datos de telemetría de los sensores con herramientas de machine learning para optimizar la potencia de los sensores, un análisis de vulnerabilidades de seguridad y en uno particularmente importante en el área de legislación para la expansión del espectro disponible para este tipo de redes. A nivel del país o la región, de esta tesis se podrá desprender información relevante como recomendación para ayudar a definir a nivel regulatorio las mejores bandas de operación para los protocolos de IoT en función de la mejor performance de estos y, por lo tanto, con un impacto tangible en la eficiencia de la operación de este tipo de redes.