Diseño de una arquitectura de WSN basada en NB-IoT para el Campus Sur de la UPM

Resumen

El presente PFG evalúan las características de la comunicación NB-IoT y propone una arquitectura de WSN (Wireless Sensor Network) basada en NB-IoT (Narrow BandInternet of Things) para el Campus Sur de la UPM (Universidad Politécnica de Madrid). Los cambios en la legislación de algunas industrias como la telemetría, con los contadores de agua, o la geolocalización, con las balizas de emergencia, han disparado la necesidad en el mercado de dispositivos de comunicación de larga distancia y bajo consumo. Las releases 13, 14 y 15 del estándar 3GPP satisfacen dichas necesidades estandarizando dispositivos simplificados y mecanismos de ahorro de energía, mejorando cobertura en interiores y aumentando la potencia disponible, entre otras. En este ámbito, la tecnología NB-IoT se muestra como una tecnología de largo alcance y bajo consumo, que funciona en el espectro licenciado, asegurando seguridad y fiabilidad. La tecnología NB-IoT se encuentra en el porfolio de las grandes operadoras de telecomunicación, que han adherido esta tecnología a su red mediante hardware añadido a sus estaciones base servidoras de LTE por la parte de acceso y, en la mayoría de los casos, mediante la utilización de la banda de guarda de la señal LTE por la parte del espectro radioeléctrico. El prototipo propuesto contiene 2 modelos de motas sensorizadas con conectividad NB-IoT disponibles en el mercado: SODAQ SARA y Libelium WASPMOTE. Este proyecto diseña un prototipo de sistema de recogida de medidas para definir la propuesta. Para dar conectividad a las motas se utilizan SIM de Vodafone. Se proponen diferentes arquitecturas de software de gestión de datos mediante la utilización de datagramas UDP y conexiones MQTT. Los resultados muestran que las arquitecturas propuestas son viables y cada una se ajusta a unos requisitos de red determinados. Mediante el sistema de recogida de medidas se valida la arquitectura y las motas propuestas para el prototipo. Se visualizan los datos recogidos en el prototipo mediante una herramienta de visualización ubicada en el servidor de red ThingSpeak. Los resultados ilustran que el Campus sur de la UPM dispone de cobertura NB-IoT suficiente para realizar un despliegue de motas mediante la estructura propuesta. El prototipo propuesto es escalable a una solución que controle mayor número de motas sin perjuicio de la red.

Abstract:

This PFG evaluates the characteristics of NB-IoT communication and proposes a WSN (Wireless Sensor Network) architecture based on NB-IoT (Narrow Band-Internet of Things) for the Campus Sur de la Universidad Politécnica de Madrid ("UPM Campus Sur”). The change in the legislation of some industries such as telemetry (in relation to water meters), or geolocation (with respect to emergency beacons) have raised the need in the market for long distance and low consumption communication devices. The releases 13, 14 and 15 of the 3GPP standard address these needs, among others, by standardizing simplified devices and energy saving mechanisms and improving indoor coverage and increasing available power. In this area, NB-IoT technology has proven to be a long-range, low-power technology, operating in licensed spectrum that is able to ensure security and reliability. NB-IoT technology is currently in the portfolio of large telecommunication operators, which have added this technology to their network by adding hardware to their LTE base stations on the access side and, in most cases, by using the LTE guard band on the radio spectrum side. The proposed prototype contains 2 models of sensor motes with NB-IoT connectivity available on the market: SODAQ SARA and Libelium WASPMOTE. A prototype measurement collection system is hereby designed to define the proposal. Vodafone SIMs are used to provide connectivity to the motes. Several software architectures for data management using UDP datagrams and MQTT connections are also proposed. The results show that the proposed architectures are feasible and each one of them has specific network requirements. The measurement collection system is used to validate the architecture and the proposed motes for the prototype. The data collected on the prototype is visualised using a visualisation tool located on the ThingSpeak network server. The results illustrate that the UPM Campus Sur has sufficient NB-IoT coverage to deploy motes using the proposed structure. The proposed prototype is scalable to a solution that controls a larger number of motes without affecting the network.