Cómo tejer una red eficaz entre el internet de las cosas y los satélites

Aproximadamente, 4600 millones de personas están conectadas a internet a través de sus teléfonos móviles. Por cada una de ellas, hay más de tres dispositivos comunicándose con la red.

El internet de las cosas (IdC) está formado por un número creciente de objetos conectados: hoy son 15.000 millones y a finales de la década serán 30.000 millones. Desde coches hasta sensores de riego, pasando por estaciones meteorológicas en lugares remotos o drones autónomos, el IdC está abriendo un sinfín de nuevas oportunidades para las comunicaciones y los datos. Pero también tiene obstáculos considerables que salvar.

Una de las barreras más importantes está en cómo conectar los objetos a internet en lugares donde no hay infraestructura de red móvil. La respuesta parece estar en los satélites de órbita terrestre baja (LEO, por sus siglas en inglés), aunque la solución no está libre de sus propios desafíos. Un nuevo estudio, liderado por dos investigadores de la Universitat Oberta de Catalunya (UOC), Guillem Boquet y Borja Martínez, del grupo Wireless Networks (WINE), del Internet Interdisciplinary Institute (IN3), analiza cómo mejorar la coordinación entre los miles de millones de objetos conectados de la superficie terrestre y los satélites que circulan por nuestra atmósfera.

La importancia de los satélites para el IdC

El crecimiento explosivo del internet de las cosas en la última década ha impulsado la innovación en ámbitos muy diversos, desde la logística o las ciudades inteligentes hasta la agricultura o el transporte marítimo. La revolución IdC se ha sostenido, en gran parte, gracias a la eficacia de las denominadas redes de bajo consumo y de área extensa (LPWAN) y la infraestructura terrestre construida para las telecomunicaciones móviles. Sin embargo, esta solución tan eficaz tiene un área gris: cómo conectar los dispositivos IdC en lugares remotos y en zonas rurales donde no existe dicha infraestructura.

En los últimos años, las constelaciones de satélites LEO han emergido como una solución alternativa que permite solventar las limitaciones de las redes terrestres. "Los satélites LEO son especialmente relevantes para el IdC, ya que requieren menos potencia de transmisión para lograr una comunicación fiable al encontrarse más cerca de la Tierra. Esto permite a los dispositivos ahorrar energía, prolongar la vida de la batería y reducir los costes de mantenimiento", explica Guillem Boquet. "Entre otras ventajas, desplegar un satélite en órbita baja tiene un coste considerablemente inferior, lo que posibilita ofrecer servicios de conectividad a precios más adecuados al contexto IdC".

Además, los satélites LEO –como los de Starlink de SpaceX, Eutelsat OneWeb o el proyecto Kuiper de Amazon– permiten mantener una latencia (el retardo entre las comunicaciones) mucho más baja que con los satélites geoestacionarios, cuentan con muchos más satélites en funcionamiento y una cobertura más amplia, su tiempo de despliegue es mucho más corto y son idóneos para las comunicaciones de multitud de sectores. Sin embargo, su uso para IdC tampoco está exento de desafíos.

Los retos de usar constelaciones de satélites para IdC

El uso de satélites como parte de la red IdC tiene sus propias barreras. Algunas están relacionadas con el desarrollo de la industria en sí mismo (el despliegue de megaconstelaciones satelitales para garantizar una cobertura continua no parece probable a corto plazo por su baja rentabilidad en el contexto IdC), y otras tienen que ver con restricciones derivadas del propio diseño de la tecnología, como el aumento de la probabilidad de interferencia entre comunicaciones, las limitaciones en el uso de la energía por parte de los dispositivos IdC y las dificultades de sincronizar los ciclos de trabajo de los dispositivos IdC con los intervalos en los que la comunicación satelital está disponible.

"Los dispositivos IdC suelen funcionar con batería y tienen ciclos de actividad para despertarse y apagarse a intervalos regulares, con el objetivo de conservar energía. Estos ciclos de actividad periódicos son comunes en las comunicaciones terrestres e incluso están estandarizados. Pero las constelaciones LEO no proporcionan cobertura continua, por lo que las ventanas de comunicación son irregulares y de corta duración", señala Guillem Boquet. "Esto hace que sea necesario desarrollar estrategias de sincronización más avanzadas, que garanticen una comunicación fiable y acceso a las oportunidades de conectividad ofrecidas por la red satelital".

¿Cómo mejorar la sincronización entre satélites y dispositivos IdC?

Los modos de ahorro de energía de los dispositivos IdC, que definen los tiempos en que el dispositivo IdC puede conservar energía y alargar su tiempo de autonomía poniéndose en reposo, dependen de tiempos periódicos. Pero esto no encaja con cómo funcionan las constelaciones satelitales. Para poder sincronizar las necesidades de los objetos conectados con los tiempos de acceso a los satélites LEO, es necesario poder predecir dónde va a estar cada satélite y cuándo se va a abrir la ventana de comunicación.

"La solución que proponemos consiste en sincronizar las necesidades de transmisión de la aplicación IdC y de comunicación de la red con los momentos en que el satélite estará accesible. La base de esta sincronización es poder predecir estos momentos mediante un modelo de la trayectoria orbital del satélite, partiendo de un punto inicial conocido", detalla Guillem Boquet. "Sin embargo, realizar predicciones tiene un coste energético, ya que requiere operaciones de cálculo periódicas y actualizar el modelo predictivo cuando este se desvía de la realidad".

La solución desarrollada por los investigadores de la UOC se puso a prueba con un caso de comunicación real con el nanosatélite Enxaneta, primer satélite de la Generalitat de Catalunya dentro del proyecto NewSpace. Los resultados fueron prometedores: mejora la ratio de acceso al satélite hasta en un 99 % y garantiza el acceso a la red a largo plazo, minimizando el consumo energético del dispositivo.

"Los siguientes pasos son completar el análisis de costes y beneficios de implementar esta solución, considerando diversas aplicaciones, redes de servicio, tipos de constelación satelital, dispositivos IdC y tecnologías de comunicación, y proponer e implementar modos de ahorro de energía que se adapten automáticamente a las demandas de comunicación y las condiciones variables de las redes no terrestres", concluye el investigador.