Resultados científicos y tecnológicos

El PT2.1 "Definición de especificaciones técnicas y funcionales de las redes de comunicación" se ha completado al completo como entregable del proyecto COPILOT-CM. Seguidamente, en el punto PT2.2 "Análisis comparativo de las distintas tecnologías y selección de la solución óptima para implementar redes de comunicaciones" se ha llevado a cabo el análisis comparativo. Se han utilizado diferentes enlaces físicos de comunicación para
transmitir la información. Estos enlaces se pueden clasificar en dos subtipos, por un lado, tecnologías en las que la infraestructura es propia (Ethernet, WiFi y LoRa) y, por otro, enlaces en los que solo los dispositivos finales son propios, y la comunicación se realiza a través de una infraestructura de terceros (celular) como LTE y 5G.

Ethernet es un medio de conexión fiable y de baja latencia basado en los estándares de la familia IEEE 802.3. Se probó en dos escenarios representados en la Tabla 1: conectando dos ordenadores a través de un único router y un cable ethernet de Categoría 6 de 10 metros (Escenario 1) y conectándolos en diferentes laboratorios de la Universidad de Alcalá utilizando cuatro switches gestionados, un router y 50 metros de cable de Categoría 6 (Escenario 2).

WiFi es una tecnología inalámbrica basada en la familia de normas IEEE 802.11 que utiliza las bandas de radio de 2,4 GHz y 5 GHz. Inicialmente se realizó un análisis comparativo entre Wifi 4, Wifi 5 y Wifi 6, con el objetivo de confirmar la mejora teórica que propone Wifi 6 sobre sus antecesores (Tabla 2). Una vez identificada la mejor tecnología, Wifi 6, se realizaron pruebas más específicas para evaluar la influencia de la distancia entre dos dispositivos conectados a un mismo punto de acceso (Tabla 3). Finalmente, se empleó la tecnología de mallado para aumentar el alcance de la tecnología Wifi 6 (Tabla 4).

LoRa es una tecnología inalámbrica que funciona en distintas frecuencias según la ubicación, en Europa 868 MHz. Tiene características como bajo consumo, largo alcance y alta tolerancia a las interferencias. Sin embargo, tiene un ancho de banda muy bajo que limita sus aplicaciones. Se han realizado pruebas de conexión máquina a máquina entre dos dispositivos dentro de la Universidad de Alcalá utilizando antenas omnidireccionales.
Las pruebas se han realizado con dos anchos de banda diferentes, 125 y 250 kHz. En todos los casos, el tiempo de transmisión de los mensajes ha sido superior al teórico. Los resultados de las pruebas de LoRa (Tabla 5 y Tabla 6) han destacado por su estabilidad en el tiempo, con una diferencia extremadamente pequeña entre los tiempos mínimo y máximo de cada prueba. Esto se refleja en una desviación estándar muy baja. No se ha observado ninguna variación en los tiempos de transmisión a medida que aumenta la distancia entre los dos dispositivos.

Se puede observar como con diferentes Spreading Factor (SF) los resultados estadísticos son bastante parecidos. Sin embargo, la distancia ha marcado la diferencia en la fiabilidad, ya que a medida que ha aumentado la distancia entre dispositivos, un porcentaje menor de mensajes ha llegado a su destino. Esto puede verse en la Tabla 7. El parámetro de fiabilidad a distancias mayores depende en gran medida del alcance de la tecnología. Todas las pruebas se realizaron en un espacio libre de obstáculos, pero en las pruebas con un SF de 7 no se recibió ningún mensaje al intentar alcanzar distancias superiores a 50 metros, a pesar de que el alcance teórico para este SF es de 2 km. La distancia máxima alcanzada fue de 500 metros con un SF de 12 y visión directa.

Utilizada habitualmente en teléfonos móviles, la tecnología celular emplea enlaces inalámbricos que se emplean para la transmisión de datos y voz a larga distancia. Lo ideal en este apartado, hubiera sido generar una infraestructura propia de 5G, pero actualmente los costes de dicha tecnología son demasiados elevados en comparación con otras tecnologías como el Wifi 6. Por ello, para caracterizar los canales de red móvil de la forma más realista posible, la comunicación entre dos dispositivos se ha conseguido intentando imitar el entorno operativo real de una compañía eléctrica utilizando dos técnicas:

- Utilización de un servicio público IP en la red celular. Se ha contratado un servicio mediante el cual la compañía telefónica asigna una IP pública fija a cada uno de los dos dispositivos.

- Mediante el uso de un servidor VPN privado y el uso de la red celular pública. Se ha configurado un servidor VPN privado en el que se puede acceder a la IP pública de cada uno de los dispositivos conectados al servidor. Se han evaluado las dos tecnologías más avanzadas disponibles en la actualidad, la evolución a largo plazo (LTE) o 4G y la 5G en su versión no autónoma (NSA).Los resultados de las pruebas con redes móviles pueden verse en la Tabla 8. Estos resultados muestran tiempos de latencia relativamente altos y una gran desviación típica. 

Tras el análisis de ambos métodos, se puede determinar que el nivel de cobertura y, por tanto, la ubicación de la antena, si el equipo no pierde el registro en la red móvil, no afecta significativamente a la latencia obtenida, pero sí a la tasa de fallos. El uso de un servicio IP público ha dado lugar a peores resultados de latencia en comparación con la misma tecnología celular (LTE) utilizando un servidor VPN privado. Ambos métodos se han evaluado en la misma ubicación con una intensidad de señal similar y desde la misma antena. En la comparación entre la tecnología LTE y la 5G NSA, se observa que esta última puede lograr tiempos de latencia inferiores con una probabilidad del 85 %.
Una vez realizada la comparativa de las tecnologías, se propone una infraestructura terrestre que sea una combinación de elementos cableados ethernet y elementos con Wifi. El precio que tiene actualmente crear una infraestructura 5G es aproximadamente de 100.000 euros, demasiado elevado en comparación con módulos Wifi en el rango de 100 euros. Dicha infraestructura se ha seleccionado junto con CVAR­UPM, y se podrá combinar en el futuro con la comunicación Wifi de la que disponen los drones que están utilizando actualmente en el proyecto.

Para poder realizar las pruebas anteriores, se ha llevado a cabo el punto PT2.3 "Diseño del hardware de comunicaciones". Se han utilizado módulos que se podrían integrar en los drones y en los equipos de tierra.

Dispositivo para realizar pruebas con LoRa
Chip SX1272 integrado en la placa de desarrollo con antena de bajo coste utilizada en la prueba LoRa.

Dispositivo para infraestructura de pruebas con Wifi 6
Deco AX3000 de TP­LINK para Wifi 6 Mesh, módulo AX56 Y AX58 para Wifi 6.

Dispositivo para realizar pruebas con redes móviles
Módulo de desarrollo SIM8200­M2­EVB2 con el módulo 5G SIMCOM SIM8202E­M2. Este módulo permite
conectarse a cualquier tipo de red móvil, por lo que es válido para todas las pruebas realizadas.