A medida que los espacios inteligentes son cada vez más populares, será fundamental garantizar que estas instalaciones tengan toda la infraestructura necesaria e intentar hacerlo desde una única solución de red probablemente falle. ¿Qué desafíos enfrentan los espacios inteligentes? ¿Cómo se unirán LAN y WLAN para dar soporte a redes futuras? ¿Y qué soluciones existen para las opciones LAN?
El problema que enfrentarán los espacios inteligentes
No hay duda de que los dispositivos IoT están en auge, y no falta mucho para que haya 20 000 millones de dispositivos IoT en todo el mundo, pero si bien los sensores individuales tienen sus ventajas, la colección de muchos sensores que trabajan en conjunto es lo que traerá cambios importantes. Por ejemplo, un termostato IoT individual puede controlar la temperatura de una habitación, pero se puede utilizar una colección de sensores ambientales en todo el edificio para entender cómo fluye el aire entre las habitaciones, la calidad del aire y la mejor forma de calentar el espacio.
Pero para crear dichos sistemas, debe haber una infraestructura subyacente fuerte que sea capaz de proporcionar potencia y conectividad. Los ingenieros disponen de varias opciones, pero estas siempre vienen en una de dos categorías: cableada e inalámbrica. Cada una de estas tecnologías tiene sus propias ventajas y desventajas, y parece haber una fijación con que los ingenieros deben elegir una única tecnología y nada más. Si eligen la opción incorrecta, las mejoras futuras pueden ser costosas o incluso imposibles de implementar, por lo que no deben tomarse decisiones a la ligera.
Los desafíos de los cables
Los cables han sido el medio de comunicación principal por más de un siglo gracias a la relativa simplicidad de su construcción y operación. Como los cables son sencillos de fabricar, usarlos para comunicaciones de distancias cortas es muy rentable. Si bien la instalación de cables en grandes distancias introduce grandes costos de mano de obra, la infraestructura necesaria para enviar mensajes en miles de kilómetros es más sencilla y barata de implementar que una alternativa inalámbrica.
No obstante, los cables se ven afectados por varios fenómenos físicos, lo cual dificulta las transferencias de datos a alta velocidad. Por ejemplo, las señales de datos a alta velocidad casi siempre dependerán de un par diferencial retorcido para eliminar el ruido en modo común, y si estos pares no se emparejan cuidadosamente, la integridad de la señal puede verse afectada. Lo que empeora las cosas es que las instalaciones de cable más antiguas a menudo no podrán soportar tasas de transferencia de datos modernas, lo que significa que las mejoras a un sistema pueden requerir el reemplazo de todos los cables de datos. Por ejemplo, los cables Ethernet más antiguos pueden soportar velocidades de hasta 100 Mbps, pero ninguno de estos cables se puede usar con conexiones de 1 Gbps más modernas.
Otro desafío que enfrentan los cables es que instalarlos requiere un esfuerzo físico, a menudo se necesitan equipos de excavación si es necesario enterrar los cables o erigir postes si van a estar suspendidos en el aire. Incluso los centros de datos requieren montajes de cables grandes y sistemas de enrutamiento que son muy difíciles de instalar y reparar.
Según la tecnología, los cables que utilizan señales eléctricas únicamente podrán soportar un dispositivo por cable, lo que significa que al intentar conectarse a múltiples dispositivos posiblemente se necesiten cables adicionales. Por supuesto, existen protocolos de bus que permiten conectar varios dispositivos a un solo cable, pero dichos arreglos reducen de forma significativa el ancho de banda del cable.
Finalmente, muchas redes LAN más antiguas son muy susceptibles a ataques. Según la infraestructura usada, muchas tecnologías de red LAN no implementan credenciales por defecto, lo que significa que cualquier dispositivo capaz de conectarse a una red tiene permiso para usarla. Esta es una de las razones principales por la que los hackers buscan puertos LAN expuestos que no se utilizan activamente.
Cómo pueden verse afectadas las tecnologías inalámbricas
En comparación con los cables, las soluciones inalámbricas pueden paliar muchos de los problemas, entre ellos la posibilidad de usar diferentes frecuencias para la separación de canales (lo cual reduce la cantidad de dispositivos interferentes) y la antena dirigida que se puede utilizar para crear haces que no interfieran con otros en la misma frecuencia (lo cual aumenta el ancho de banda).
Entonces, si hay tantas complicaciones con los cables, la decisión lógica para los ingenieros es usar tecnología inalámbrica, ¿no? Bueno, de la misma manera que los cables pueden ser problemáticos, lo mismo puede ocurrir con las redes inalámbricas. Esto se observa especialmente en la introducción del 5G, con varios reportes de interferencia, además de la publicidad negativa que recibió cuando los residentes vieron que se estaban construyendo torres celulares afuera de sus hogares.
Para empezar, la frecuencia de radio que utilizada el sistema inalámbrico determinará su rango efectivo, de modo que la frecuencia es inversamente proporcional al rango. Por lo tanto, los sistemas de radio de baja frecuencia pueden comunicarse a decenas de kilómetros, mientras que los sistemas de radio de alta frecuencia pueden comunicarse a distancias más cortas. Pero, a la vez, el ancho de banda de una onda de radio (o cuántos datos puede proporcionar por segundo) es directamente proporcional a su frecuencia. Esto significa que la comunicación de largo alcance a menudo ofrece poco ancho de banda, mientras que la comunicación de corto alcance suele ofrecer un ancho de banda excelente.
El 5G es un excelente ejemplo para entender por qué esto es un problema. El uso de frecuencias más altas permite un ancho de banda mucho mayor en comparación con el 4G, pero el aumento de la frecuencia significa que la cobertura de 5G es extremadamente deficiente. Esto ha provocado la necesidad de colocar muchos más postes celulares cerca de los usuarios (es decir, afuera de propiedades residenciales).
Otro desafío que pueden enfrentar las redes inalámbricas es que son vulnerables a ataques remotos. Aunque los cables Ethernet requieren acceso físico, es posible atacar una red inalámbrica a distancia con facilidad. Para empeorar las cosas, el uso de analizadores de paquetes ("packet sniffers") de radio puede permitir a los atacantes monitorear el tráfico en una red inalámbrica, la cual, si se vulnera, permite al atacante identificar un dispositivo y enviar datos.
Al mismo tiempo, las redes inalámbricas pueden congestionarse si se conectan demasiados dispositivos a la vez. Las redes celulares son menos vulnerables a la congestión en comparación con el wifi, ya que están diseñadas para soportar miles de conexiones simultáneas, pero las redes domésticas que usan frecuencias de disponibilidad pública a menudo pueden congestionarse. Además, tener miles de dispositivos conectados a un único punto de acceso rápidamente puede ver un aumento en la latencia, lo cual puede ser perjudicial en sistemas que requieren rendimiento en tiempo real.
¿Por qué los cables son esenciales para el futuro de los espacios inteligentes?
Al investigar el tema de espacios inteligentes y conectividad, la mayoría sugiere que las tecnologías inalámbricas como el 5G y el wifi serán dominantes, y es entendible. Su naturaleza inalámbrica no solo ayuda a minimizar las instalaciones de cables, sino que también brinda mayor libertad para la instalación de dispositivos. En lugar de tener la restricción de la longitud de un cable Ethernet, una solución totalmente inalámbrica permite montar los dispositivos exactamente donde se los necesita. No obstante, es más probable que los espacios inteligentes del futuro combinen las ventajas de los cables y las soluciones inalámbricas en lugar de adoptar un enfoque de solución única.
Para empezar, los espacios inteligentes del futuro tendrán miles de dispositivos, lo cual será demasiado para cualquier red inalámbrica. Por supuesto, las tecnologías celulares están diseñadas para cargas grandes, pero a medida que la latencia y el ancho de banda cobran importancia, intentar que todos los dispositivos operen en señales inalámbricas se vuelve costoso y difícil de implementar.
Además de la gran cantidad de dispositivos, muchos de ellos tendrán requisitos de potencia que son demasiado grandes para los cosechadores de energía. Por ejemplo, los sistemas de seguridad requerirán el 100 % de tiempo de actividad, y no serán adecuados para el uso con cosechadores de energía. Teniendo en cuenta que estos espacios tendrán miles de dispositivos, la potencia de la batería también queda descartada: el mantenimiento de estos dispositivos será extremadamente desafiante. Es posible usar baterías que funcionan durante toda la vida útil del dispositivo, pero esto rápidamente puede generar grandes cantidades de desechos electrónicos, algo que el mundo no necesita.
Por ello, se necesitará una fuente de energía permanente, y tener una conexión dedicada por LAN no solo proporciona suficiente ancho de banda, sino que puede suministrar energía por un solo cable mediante la alimentación a través de Ethernet (PoE). De hecho, el uso de cables PoE puede simplificar la instalación al reducir la cantidad de cables que el dispositivo necesita a uno, y esto permite unir más cables en una zona determinada, y así prestar servicio a más dispositivos.
Los dispositivos que usen cosechadores de energía probablemente deban estar colocados muy cerca de puntos de acceso para reducir el costo de energía de la transmisión. En este caso, el punto de acceso probablemente depende de PoE para obtener energía y conectividad, lo que demuestra aún más la necesidad de los cables en los espacios inteligentes.
El aspecto de la seguridad de los espacios inteligentes también verá una preferencia de cables por sobre las redes inalámbricas, especialmente para dispositivos relacionados con la seguridad, como las cámaras, los micrófonos y las alarmas. El uso de cables evita los ataques remotos, y el uso de credenciales y certificados para los dispositivos conectados puede denegar acceso a dispositivos no identificados que los hackers agregan a la red. De hecho, es posible que las versiones futuras de PoE detecten cuándo se ha desconectado un dispositivo, y puede utilizarse el monitoreo de energía de cada dispositivo PoE para detectar actividad sospechosa, lo cual es difícil de realizar con dispositivos inalámbricos.
Finalmente, los dispositivos con cable son inmunes a interferencias, y esto permite que miles de dispositivos estén colocados en proximidad unos con otros. El uso de los cables también resiste la interferencia inalámbrica, lo que significa que los espacios inteligentes pueden volverse muchísimo más resistentes a los ataques.
¿Qué soluciones existen en el entorno LAN?
Afortunadamente para los ingenieros, existen muchas soluciones LAN y WLAN que se pueden implementar para crear espacios inteligentes que ofrecen un gran ancho de banda y al mismo tiempo son resistentes a las amenazas de seguridad. Una empresa que es notable por sus soluciones de red para dispositivos IoT es Lantronix, que ofrece numerosas soluciones entre las que se incluyen sistemas en módulos (SoM), conmutadores de red y entradas.
Por ejemplo, el XPCW1002100B es un módulo de serie a wifi extremadamente compacto y una solución de red de baja potencia que permite la conectividad LAN inalámbrica IEEE 802.11 en prácticamente cualquier solución con un SPI o interfaz de serie. Al reducir la complejidad de los diseños inalámbricos, el XPCW1002100B permite a los ingenieros probar y fabricar rápidamente dispositivos IoT y comunicarse en redes como si estuvieran conectados físicamente a un puerto de serie. Para quienes buscan una solución de Ethernet, el XPC100100B-01 es extremadamente similar al XPCW1002100B ya que proporciona conexión de serie a red, pero en lugar de conectarse por WLAN, se conecta por LAN.
Con respecto a la conectividad de la red, Lantronix también ofrece varias soluciones en entradas y conmutadores. Un ejemplo es el SGX5150020US. Este dispositivo brinda una red wifi de 5 GHz con conectividad a internet por LAN, y dichos puntos de acceso pueden ayudar a segregar las redes a la vez que brindan capacidades inalámbricas.
En general, es probable que los espacios inteligentes IoT del futuro utilicen una fusión de soluciones cableadas e inalámbricas para aprovechar las ventajas de ambas tecnologías.
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