Com teixir una xarxa eficaç entre la IoT i els satèl·lits?

Aproximadament, 4600 milions de persones estan connectades a internet a través dels seus telèfons mòbils. Per cadascuna d'aquestes persones, hi ha més de tres dispositius comunicant-se amb la xarxa. La internet de les coses (IdC) està formada per un nombre creixent d'objectes connectats: avui són 15.000 milions i a la fi de la dècada seran 30.000 milions. Des de cotxes fins a sensors de reg, passant per estacions meteorològiques en llocs remots o drons autònoms, la IdC està obrint una infinitat de noves oportunitats per a les comunicacions i les dades. Però també té obstacles considerables per salvar.

Una de les barreres més importants rau en com connectar els objectes a internet en llocs on no hi ha una infraestructura de xarxa mòbil. La resposta sembla que és en els satèl·lits d'òrbita terrestre baixa (LEO, per les seves sigles en anglès), tot i que la solució també presenta els seus propis desafiaments. Un nou estudi, liderat per dos investigadors de la Universitat Oberta de Catalunya (UOC), Guillem Boquet i Borja Martínez, del grup Wireless Networks (WINE), de l'Internet Interdisciplinary Institute (IN3), analitza com millorar la coordinació entre els milers de milions d'objectes connectats de la superfície terrestre i els satèl·lits que circulen per la nostra atmosfera.

 

La importància dels satèl·lits per a la IdC

El creixement explosiu de la internet de les coses en l'última dècada ha impulsat la innovació en àmbits molt diversos, des de la logística o les ciutats intel·ligents fins a l'agricultura o el transport marítim. La revolució IdC s'ha sostingut, en gran part, gràcies a l'eficàcia de les anomenades xarxes de baix consum i d'àrea extensa (LPWAN) i la infraestructura terrestre construïda per a les telecomunicacions mòbils. No obstant això, aquesta solució tan eficaç té una àrea grisa: com es poden connectar els dispositius IdC en llocs remots i en zones rurals on manca aquesta infraestructura.

En els darrers anys, les constel·lacions de satèl·lits LEO han emergit com una solució alternativa que permet resoldre les limitacions de les xarxes terrestres. "Els satèl·lits LEO són especialment rellevants per a la IdC, ja que requereixen menys potència de transmissió per aconseguir una comunicació fiable perquè estan situats més prop de la Terra. Això fa que els dispositius puguin estalviar energia, prolongar la vida de la bateria i reduir els costos de manteniment", explica Guillem Boquet. "Entre altres avantatges, desplegar un satèl·lit en òrbita baixa té un cost considerablement inferior, així es poden oferir serveis de connectivitat a preus més adequats al context IdC."

A més, els satèl·lits LEO —com els de Starlink de SpaceX, Eutelsat OneWeb o el projecte Kuiper d'Amazon— permeten mantenir una latència (el retard entre les comunicacions) molt més baixa que amb els satèl·lits geoestacionaris, ofereixen molts més satèl·lits en funcionament i una cobertura més àmplia, es triga molt menys temps a desplegar-los i són idonis per a les comunicacions d'un gran nombre de sectors. Tanmateix, el seu ús per a IdC també s'enfronta a molts desafiaments.

 

Els reptes de fer servir constel·lacions de satèl·lits per a la IdC

L'ús de satèl·lits com a part de la xarxa IdC té les seves pròpies barreres. Algunes estan relacionades amb el desenvolupament de la indústria en si mateix (el desplegament de megaconstel·lacions satel·litàries per garantir una cobertura contínua no sembla probable a curt termini perquè té una rendibilitat baixa en el context IdC), i d'altres tenen a veure amb restriccions derivades del mateix disseny de la tecnologia, com ara l'augment de la probabilitat d'interferència entre comunicacions, les limitacions en l'ús de l'energia per part dels dispositius IdC i les dificultats de sincronitzar els cicles de treball dels dispositius IdC amb els intervals en què la comunicació satel·litària està disponible.

"Els dispositius IdC acostumen a funcionar amb bateria i tenen cicles d'activitat per despertar-se i apagar-se a intervals regulars, amb l'objectiu d'estalviar energia. Aquests cicles d'activitat periòdics són comuns en les comunicacions terrestres i fins i tot estan estandarditzats. Però les constel·lacions LEO no proporcionen cobertura contínua, per això les finestres de comunicació són irregulars i de curta durada", assenyala Guillem Boquet. "Per aquest motiu cal desenvolupar estratègies de sincronització més avançades, que garanteixin una comunicació fiable i accés a les oportunitats de connectivitat que ofereix la xarxa satel·litària".

 

Com es pot millorar la sincronització entre satèl·lits i dispositius IdC?

Els modes d'estalvi d'energia dels dispositius IdC, que defineixen els temps en què el dispositiu IdC pot conservar energia i allargar el seu temps d'autonomia posant-se en repòs, depenen de temps periòdics. Però això no encaixa amb la manera com funcionen les constel·lacions satel·litàries. Per poder sincronitzar les necessitats dels objectes connectats amb els temps d'accés als satèl·lits LEO, és necessari poder predir on serà cada satèl·lit i quan s'obrirà la finestra de comunicació.

"La solució que proposem consisteix a sincronitzar les necessitats de transmissió de l'aplicació IdC i de comunicació de la xarxa amb els moments en què el satèl·lit estarà accessible. La base d'aquesta sincronització és poder predir aquests moments mitjançant un model de la trajectòria orbital del satèl·lit, partint d'un punt inicial conegut", detalla Guillem Boquet. "No obstant això, fer prediccions té un cost energètic, ja que requereix operacions de càlcul periòdiques i actualitzar el model predictiu quan aquest es desvia de la realitat."

La solució desenvolupada pels investigadors de la UOC es va posar a prova amb un cas de comunicació real amb el nanosatèl·lit Enxaneta, primer satèl·lit de la Generalitat de Catalunya dins del projecte NewSpace. Els resultats van ser prometedors: millora la ràtio d'accés al satèl·lit fins a un 99 % i garanteix l'accés a la xarxa a llarg termini, pel fet que minimitza el consum energètic del dispositiu.

"Els passos següents són completar l'anàlisi de costos i beneficis d'implementar aquesta solució, considerant diverses aplicacions, xarxes de servei, tipus de constel·lació satel·litària, dispositius IdC i tecnologies de comunicació, i proposar i implementar maneres d'estalviar energia que s'adaptin automàticament a les demandes de comunicació i les condicions variables de les xarxes no terrestres", conclou l'investigador.

 

Article relacionat

Font: Boquet, G.; Martínez, B.; Adelantado, F.; Pagès, J.; Ruiz-de-Azua, J. A. i Vilajosana, X. Low-Power Satellite Access Time Estimation for Internet of Things Services Over Nonterrestrial Networks. A: IEEE Internet of Things Journal. Vol. 11, núm. 2, pàg. 3206—3216, 15 de gener de 2024, doi: 10.1109/JIOT.2023.3298017.

 

Aquesta recerca afavoreix l'objectiu de desenvolupament sostenible (ODS) de les Nacions Unides número 9, construir infraestructures resilients, promoure la industrialització sostenible i fomentar la innovació.

 

UOC R&I

La recerca i innovació (R+I) de la UOC contribueix a solucionar els reptes a què s'enfronten les societats globals del segle xxi mitjançant l'estudi de la interacció de la tecnologia i les ciències humanes i socials, amb un focus específic en la societat xarxa, l'aprenentatge en línia i la salut digital.

Els més de 500 investigadors i investigadores i més de 50 grups de recerca s'articulen entorn dels set estudis de la UOC, un programa de recerca en aprenentatge en línia (e-learning research) i dos centres de recerca: l'Internet Interdisciplinary Institute (IN3) i l'eHealth Center (eHC).

A més, la Universitat impulsa la innovació en l'aprenentatge digital mitjançant l'eLearning Innovation Center (eLinC), i la transferència de coneixement i l'emprenedoria de la comunitat UOC amb la plataforma Hubbik.

Els objectius de l'Agenda 2030 per al Desenvolupament Sostenible de les Nacions Unides i el coneixement obert són eixos estratègics de la docència, la recerca i la innovació de la UOC. Més informació: research.uoc.edu.