Estudio comparativo de protocolos de comunicación a larga distancia

 

Comparative study of long-distance communication protocols

 

Estudo comparativo de protocolos de comunicação de longa distância

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: fausto.orozcol@ug.edu.ec

 

Ciencias de la Comunicación

Artículo de Investigación

 

 

* Recibido: 28 de noviembre de 2024 *Aceptado: 01 de diciembre de 2024 * Publicado:  23 de enero de 2025

 

        I.            Universidad de Guayaquil, Guayaquil, Ecuador.

      II.            Universidad de Guayaquil, Guayaquil, Ecuador.

   III.            Universidad de Guayaquil, Guayaquil, Ecuador.

   IV.            Universidad de Guayaquil, Guayaquil, Ecuador.

 

Resumen

Este articulo surge como producto final del trabajo de titulación que tiene como tema Estudio comparativo de protocolos de comunicación a larga distancia para envío de mensaje de auxilio, el objetivo de la investigación es realizar un análisis comparativo de protocolos de comunicación a larga distancia empleados para el envío de mensajes de auxilio, evaluando su desempeño en términos de eficiencia, alcance, seguridad, costo y resiliencia. La investigación abordó la problemática de la comunicación en situaciones de emergencia, destacando los desafíos actuales y la importancia de seleccionar protocolos adecuados que garanticen fiabilidad y rapidez. La metodología incluyó un enfoque cuantitativo y experimental. Se seleccionaron los protocolos LoRaWAN, NB-IoT y Sigfox para su análisis comparativo, basándose en criterios técnicos definidos. Se llevaron a cabo simulaciones para medir su desempeño bajo diversas condiciones, complementadas con encuestas para evaluar percepciones y necesidades de usuarios potenciales. Los datos fueron analizados estadísticamente y validados mediante procedimientos técnicos. Los resultados mostraron que cada protocolo tiene ventajas específicas: LoRaWAN destacó en términos de alcance y costo, NB-IoT ofreció mayor seguridad y eficiencia, mientras que Sigfox demostró una notable resiliencia ante fallos. Sin embargo, se identificaron limitaciones en la cobertura y accesibilidad de algunos protocolos, dependiendo del contexto de implementación.

Palabras clave: Protocolos de comunicación; Mensajes de auxilio; Larga distancia; Seguridad y fiabilidad; Análisis comparativo.

 

Abstract

This article arises as a final product of the thesis work on the topic of Comparative study of long-distance communication protocols for sending distress messages. The objective of the research is to carry out a comparative analysis of long-distance communication protocols used for sending distress messages, evaluating their performance in terms of efficiency, range, security, cost and resilience. The research addressed the problem of communication in emergency situations, highlighting current challenges and the importance of selecting appropriate protocols that guarantee reliability and speed. The methodology included a quantitative and experimental approach. The LoRaWAN, NB-IoT and Sigfox protocols were selected for comparative analysis, based on defined technical criteria. Simulations were carried out to measure their performance under various conditions, complemented by surveys to evaluate perceptions and needs of potential users. The data were statistically analyzed and validated through technical procedures. The results showed that each protocol has specific advantages: LoRaWAN stood out in terms of range and cost, NB-IoT offered greater security and efficiency, while Sigfox demonstrated remarkable resilience to failures. However, limitations in the coverage and accessibility of some protocols were identified, depending on the deployment context.

Keywords: Communication protocols; Distress messages; Long distance; Security and reliability; Comparative analysis.

 

Resumo

Este artigo surge como produto final do trabalho de tese que tem como tema Estudo comparativo de protocolos de comunicação de longa distância para envio de mensagens de socorro, o objetivo da investigação é realizar uma análise comparativa de protocolos de comunicação de longa distância utilizados para o envio de mensagens de socorro. A investigação abordou o problema da comunicação em situações de emergência, destacando os desafios atuais e a importância de selecionar protocolos adequados que garantam fiabilidade e rapidez. A metodologia incluiu uma abordagem quantitativa e experimental. Os protocolos LoRaWAN, NB-IoT e Sigfox foram selecionados para análise comparativa, com base em critérios técnicos definidos. Foram realizadas simulações para medir o seu desempenho em diversas condições, complementadas por inquéritos para avaliar as perceções e necessidades dos potenciais utilizadores. Os dados foram analisados ​​estatisticamente e validados através de procedimentos técnicos. Os resultados mostraram que cada protocolo tem vantagens específicas: o LoRaWAN destacou-se em termos de alcance e custo, o NB-IoT ofereceu maior segurança e eficiência, enquanto o Sigfox demonstrou uma notável resiliência a falhas. No entanto, foram identificadas limitações na cobertura e acessibilidade de alguns protocolos, dependendo do contexto de implementação.

Palavras-chave: Protocolos de comunicação; Mensagens de socorro; Longa distância; Segurança e fiabilidade; Análise comparativa.

 

Introducción

La investigación aborda el desafío crítico que representan los protocolos de comunicación a larga distancia para el envío de mensajes de auxilio en situaciones de emergencia. En contextos rurales o con infraestructura limitada, garantizar una transmisión eficiente y rápida de estos mensajes puede ser vital para salvar vidas. Sin embargo, los protocolos existentes, como LoRa, Sigfox y NB-IoT, presentan limitaciones en términos de cobertura, eficiencia y costo (Smith, 2021). Esto afecta particularmente a comunidades vulnerables en zonas remotas, como sucede en Ecuador, donde la falta de infraestructura moderna y la dependencia de sistemas obsoletos agravan la problemática en situaciones de desastres naturales o emergencias.

La raíz del problema radica en la falta de inversión en tecnologías sostenibles, la limitada cobertura de las redes en áreas rurales y la insuficiente planificación de políticas públicas enfocadas en conectividad en zonas críticas. Estas carencias se traducen en interrupciones frecuentes en la transmisión de datos, altos tiempos de latencia y una brecha tecnológica que dificulta la implementación de soluciones adecuadas. Las consecuencias incluyen una mayor exposición de las comunidades rurales a riesgos, desigualdad en la capacidad de respuesta entre áreas urbanas y rurales, y una menor capacidad del país para enfrentar emergencias de manera eficiente (Johnson & Lee, 2020).

Este estudio es particularmente relevante en el contexto ecuatoriano, donde las áreas rurales enfrentan grandes desafíos en cuanto a conectividad y acceso a servicios de emergencia. La investigación se enmarca en el ámbito de las telecomunicaciones, enfocándose en la evaluación comparativa de los protocolos LoRa, Sigfox y NB-IoT (González, 2023). Estos protocolos serán analizados en términos de eficiencia, cobertura, confiabilidad y costos, con el objetivo de identificar sus ventajas y desventajas para mejorar la transmisión de mensajes de auxilio (Martínez, 2023). Además, se busca generar un marco teórico sólido y recomendaciones prácticas que puedan ser implementadas en zonas con infraestructura limitada y alto riesgo de desconexión.

El principal foco de estudio de la investigación es saber cómo pueden los protocolos de comunicación a larga distancia optimizar el envío de mensajes de auxilio en Ecuador, especialmente en zonas rurales y áreas afectadas por siniestros y limitada infraestructura de telecomunicaciones, por lo que en la investigación se aborda desde una perspectiva delimitada, clara y factible, centrándose en tecnologías existentes y evaluando su aplicabilidad en el contexto ecuatoriano. El problema es evidente debido a los riesgos que enfrentan las comunidades sin acceso a sistemas confiables de comunicación durante emergencias (Ramírez, 2023). Los resultados esperados incluyen un modelo comparativo de los protocolos analizados y recomendaciones concretas para su implementación en áreas vulnerables.

Las variables clave de la investigación incluyen la eficiencia de transmisión, cobertura, seguridad, confiabilidad, resiliencia ante fallos y satisfacción del usuario en condiciones simuladas. Estas variables permiten evaluar de manera integral el desempeño de los protocolos seleccionados. El objetivo general es evaluar los protocolos de comunicación a larga distancia para mejorar la eficiencia en la transmisión de datos en situaciones de emergencia. Los objetivos específicos incluyen sistematizar los fundamentos teóricos, diagnosticar el estado actual de los protocolos y diseñar un modelo de comunicación adaptado a las necesidades del contexto ecuatoriano.

La investigación se justifica en la necesidad de optimizar la transmisión de mensajes de auxilio en áreas rurales y de difícil acceso, donde la falta de conectividad compromete la capacidad de respuesta ante emergencias. Los protocolos de comunicación a larga distancia, como LoRa, Sigfox y NB-IoT, representan alternativas viables por su alcance geográfico, bajo costo y eficiencia operativa (Fernández, 2023). En un país como Ecuador, propenso a desastres naturales, este análisis puede contribuir a salvar vidas y mejorar la gestión de riesgos al proponer soluciones tecnológicas adaptadas a contextos con infraestructura limitada.

La importancia del estudio radica en su capacidad para reducir brechas de conectividad y fortalecer la resiliencia de comunidades vulnerables frente a emergencias (Pérez, 2023). Al identificar opciones tecnológicas sostenibles, el trabajo no solo impulsa la innovación en telecomunicaciones, sino que también fomenta una planificación más inclusiva y alineada con los objetivos de desarrollo sostenible. Además, los resultados pueden servir de base para decisiones estratégicas en los sectores público y privado, promoviendo el bienestar y la seguridad de las poblaciones afectadas (Sánchez, 2023).

 

Metodología

El capítulo de metodología detalla el diseño y los procedimientos utilizados en el estudio. La investigación se desarrolla bajo un enfoque cuantitativo, permitiendo el análisis objetivo de datos numéricos y la obtención de resultados medibles. Se trata de un estudio exploratorio-descriptivo que busca comprender fenómenos poco investigados y detallar características específicas de protocolos de comunicación en situaciones de emergencia (Hernández et al., 2014). La población objetivo incluye estudiantes y docentes de Tecnología de la Información, con una muestra representativa de 239 personas seleccionadas por muestreo estadístico. Los datos se recolectaron mediante métodos documentales y de campo, como entrevistas y encuestas, garantizando un enfoque integral.

El análisis de datos emplea estadística descriptiva, utilizando frecuencias, porcentajes y análisis de correlación para identificar patrones y relaciones. Las variables estudiadas incluyen los protocolos de comunicación (como LoRa, Sigfox y NB-IoT) y su eficiencia en la transmisión de mensajes de auxilio. Los indicadores clave abarcan cobertura, latencia, fiabilidad y costo. La combinación de métodos teóricos y prácticos asegura un enfoque balanceado y riguroso que permite extraer conclusiones fiables y útiles para la mejora de los sistemas de comunicación en emergencias.

Simulación de Protocolos de Comunicación

Para explorar y evaluar el rendimiento de los protocolos de comunicación, utilizaremos el simulador ns-3 en un entorno Ubuntu. Ns-3 es una herramienta de simulación de redes ampliamente utilizada que nos permite modelar y analizar el comportamiento de diferentes protocolos de comunicación en condiciones controladas. Para eso, implementaremos un script para simular que un dispositivo envía un mensaje SOS a una estación base o Gateway. Nos permitirá estudiar el funcionamiento de estos protocolos y así verá la cobertura, la latencia, el uso de energía y la fiabilidad.

El objetivo fue analizar parámetros como cobertura, latencia, consumo de energía, confiabilidad y capacidad operativa en baja potencia, como se visualiza en la tabla 1.

 

Tabla 1. Valores de referencia para evaluar protocolos

Nota. Elaborado por los autores

En el esquema del sistema como muestra en la Figura 1, un dispositivo SOS activa una señal que atraviesa obstáculos naturales y es recibida por una antena Gateway elevada, retransmitiéndola a un centro de rescate donde se coordina la respuesta. Se destacó el rendimiento de LoRaWAN por su eficiencia en áreas remotas.

 

Figura 1. Esquema del funcionamiento de los protocolos de comunicación a larga distancia

 

La simulación consideró:

·         Dispositivos finales: Transmisión de datos a 5 km.

·         Gateway: Procesamiento de señales.

·         Condiciones: Simulación de interferencias y pérdidas de señal.

·         Resultados esperados: Evaluación de la cobertura, latencia, consumo energético y tasa de éxito en la transmisión.

 

Tabla 2.Cuadro comparativo de los protocolos de comunicación

 

Resultados Clave

1.      Cobertura: LoRaWAN mantuvo estabilidad a 5 km, incluso con obstáculos.

2.      Latencia: Tiempo promedio de 100 ms con LoRaWAN.

3.      Energía: Consumo reducido, ideal para baterías de larga duración.

4.      Confiabilidad: Alta tasa de éxito en transmisión de mensajes.

5.      Altura promedio: El dispositivo se ajustó a una altura de 1.76 m para reflejar condiciones realistas.

Se comprobó que LoRaWAN es el protocolo más eficiente para emergencias en áreas remotas, logrando transmitir señales de forma confiable y con bajo consumo energético.

Simulación Protocolo Lora

Para la simulación, replicaremos el protocolo LoRaWAN y nos enfocaremos en cómo transmite mensajes de emergencia (SOS) desde áreas remotas hacia una estación base. LoRaWAN es ampliamente aplicado en redes IoT porque consume muy poco poder, opera en frecuencias sin licencia y tiene un largo alcance, lo que lo hace ideal para situaciones de emergencia. La simulación nos permitirá evaluar su tiempo de respuesta, cobertura, si puede transmitir datos correctamente y su consumo de energía. Tal y como se presenta en la figura 2, el inicio de la simulación se encuentra a la izquierda, mientras que la finalización aparece a la derecha.

Figura 2. Inicialización y finalización de simulación con LoRaWAN

 

Interpretación de resultados:

·         La simulación muestra que LoRaWAN es confiable para transmitir mensajes a 5 km con una tasa de éxito del 100%.

·         La latencia es aceptable (~100 ms), y los valores de RSSI y SNR están dentro de los rangos típicos de LoRaWAN, los valores típicos de RSSI están en el rango de: 50 dBm a -120 dBm. y los valores típicos de SNR están en el rango de: -20 dB a +10 dB.

·         Este protocolo es adecuado para aplicaciones IoT en áreas remotas con bajo consumo de energía.

Simulación Protocolo NB-IoT

Para la simulación del protocolo NB-IoT observaremos como envía mensajes de emergencia (SOS) desde lugares a distancia a una estación base. La simulación nos permitirá observar su tiempo de respuesta, cobertura, como envía los datos y cuanto consume de batería, ya que se utiliza en dispositivos que requieren mayor estabilidad y velocidad de comunicación, y por lo tanto esto es importante para entender su funcionamiento. En la Figura 3, el lado izquierdo muestra la inicialización de la simulación, mientras que el lado derecho presenta la finalización y los resultados obtenidos.

 

Figura 3. Inicialización y finalización de simulación con NB-IoT

 

Interpretación de resultados:

·         NB-IoT es altamente confiable, con una tasa de éxito del 100% y baja latencia (~100 ms).

·         Es capaz de manejar mensajes más grandes (200 bytes) y transmitir con mayor frecuencia (cada 5 segundos).

·         Este protocolo es ideal para aplicaciones críticas que requieren baja latencia y alta confiabilidad, aunque su consumo de energía es mayor que el de LoRaWAN o Sigfox.

Simulación Protocolo Sigfox

Ahora vamos a utilizar el protocolo Sigfox y podremos ver que este envía mensajes de SOS desde lugares remotos a una base. Es excelente para dispositivos que envían datos sólo de vez en cuando, por lo tanto, la simulación nos permitirá saber cuál es su alcance, si puede enviar mensajes correctamente, cuánto tiempo tarda y cuánta energía consume. Esto es crucial si se utiliza en casos de emergencia, ya que así podemos determinar su efectividad y confiabilidad en situaciones críticas. A continuación, en la figura 4 se ilustran los resultados de la simulación con el protocolo de comunicación Sigfox.

 

Figura 4. Resultados de simulación con Sigfox

 

Resultados

El análisis comparativo de los protocolos arrojó resultados importantes que permitieron comprender las ventajas y limitaciones de cada tecnología en el contexto de los sistemas de comunicación de emergencia. Las simulaciones realizadas, junto con los cálculos teóricos, proporcionan una comprensión integral del comportamiento de estos protocolos en condiciones similares a las que se encuentran en emergencias reales. Elegir el protocolo de comunicación adecuado es crucial para el éxito de cualquier implementación de IoT, especialmente en aplicaciones que requieren comunicación de largo alcance y bajo consumo de energía.

Interpretación de resultados:

·         Sigfox es confiable, con una tasa de éxito del 100%, pero tiene alta latencia (~1000 ms) y baja capacidad de datos (12 bytes por mensaje).

·         Es ideal para aplicaciones IoT de bajo costo y bajo consumo de energía, donde la velocidad y la capacidad de datos no son críticas.

·         Su largo alcance (10 km) lo hace adecuado para áreas rurales o remotas.

El análisis comparativo de protocolos de comunicación para sistemas de emergencia reveló ventajas y limitaciones clave en tecnologías LPWAN como LoRa, NB-IoT y Sigfox. Las simulaciones realizadas, respaldadas por cálculos teóricos, destacaron la importancia de seleccionar el protocolo adecuado para garantizar comunicación eficiente en escenarios de emergencia. Factores como terreno, obstáculos y condiciones adversas fueron considerados para replicar situaciones reales.

 

Tabla 3. Tabla Comparativa

 

Principales hallazgos:

LoRa se destacó por su equilibrio entre alcance, bajo consumo energético y alta fiabilidad (>99%). Su cobertura de 5-15 km y consumo de 0.05 J/transmisión la hacen ideal para zonas rurales o con infraestructura limitada.

NB-IoT mostró mayor velocidad de transmisión (250 kbps) y fiabilidad (>99.9%), pero a costa de mayor consumo energético.

Sigfox, aunque eficiente en consumo, presentó limitaciones en velocidad y tamaño de paquetes, siendo menos versátil en situaciones de emergencia.

Lectura científica sobre tecnologías emergentes en la gestión de emergencias

Diversos estudios han explorado el uso de tecnologías como LoRaWAN, Sigfox e IoT en la gestión de emergencias, destacando su eficiencia en comunicación, monitoreo y respuesta en situaciones críticas. Estas tecnologías ofrecen avances significativos en sostenibilidad, eficiencia energética y viabilidad económica, esenciales para sistemas de alerta temprana y respuesta ante desastres naturales.

1.      Protocolo LoRaWAN en emergencias: Estudios como el de Chen et al. (2020) han probado la eficacia de LoRaWAN en áreas rurales, logrando un 95% de éxito en la transmisión de mensajes y un bajo consumo energético. Aunque económico, su cobertura es limitada en zonas montañosas.

2.      Aplicaciones en desastres sísmicos: Pueyo Centelles et al. (2019) validaron el uso de LoRa para mantener comunicaciones en Coquimbo, Chile, tras terremotos, con un 92% de éxito en entornos hostiles. Su bajo consumo energético y adaptabilidad destacan como ventajas en áreas afectadas.

3.      Comparación Sigfox y LoRa: Ramos et al. (2021) demostraron que ambas tecnologías son sostenibles, eficientes y económicas. LoRa sobresale en áreas rurales, mientras Sigfox ofrece mejor desempeño en entornos con menos interferencia.

4.      IoT en protocolos de emergencia: Lee y Kim (2022) diseñaron un sistema IoT para desastres, destacando en tiempos de respuesta, localización precisa de afectados y confiabilidad, con integración a protocolos existentes.

5.      Monitoreo en Guayaquil con IoT y LoRa: Mirabá y Mera (2022) desarrollaron un sistema IoT para parques urbanos, integrando LoRa y plataformas digitales, optimizando el monitoreo y la gestión en tiempo real.

Estos estudios subrayan el potencial de estas tecnologías para transformar la gestión de emergencias, especialmente en comunidades vulnerables, fortaleciendo la capacidad de respuesta y seguridad.

 

Conclusiones

Los análisis realizados confirman que la tecnología LPWAN, y en particular LoRaWAN, se posiciona como la solución más adecuada para sistemas de comunicación de emergencia at través de simulaciones y cálculos teóricos, se ha demostrado que LoRaWAN logra un equilibrio óptimo entre alcance, consumo energético y confiabilidad, características fundamentales para aplicaciones críticas, su capacidad para operar de manera eficiente en escenarios de emergencia resalta su superioridad frente a otras tecnologías de comunicación.

LoRaWAN proporciona una arquitectura flexible, que le permite adaptarse dinámicamente a diferentes entornos de implementación esta adaptabilidad combinada con su amplio alcance efectivo, la convierte en una solución versátil tanto para áreas urbanas densamente pobladas como para regiones rurales o remotas, su capacidad para gestionar redes de alta densidad y mantener comunicaciones estables en condiciones adversas refuerza su idoneidad para escenarios de emergencia, donde la confiabilidad es crucial.

Los resultados de las simulaciones también destacan el excelente desempeño de LoRaWAN en aspectos clave como la comunicación bidireccional y la estabilidad en entornos sin obstáculos, su resistencia a interferencias y su capacidad para operar en condiciones difíciles la hacen más confiable que Sigfox y más práctica que NB-IoT, su arquitectura abierta y su menor dependencia de infraestructura existente facilitan su implementación y mantenimiento lo que la convierte en una opción accesible y eficiente para proyectos de comunicación de emergencia.

Si bien cada tecnología LPWAN tiene ventajas específicas, LoRaWAN ofrece la combinación más efectiva de características técnicas y operativas para sistemas de comunicación de emergencia su capacidad para equilibrar rendimiento, confiabilidad y facilidad de implementación la posiciona como la opción preferida en situaciones críticas, especialmente en entornos donde la infraestructura tradicional es limitada o inexistente.

 

Referencias

1.      Chen, X., et al. (2020). Evaluation of LoRaWAN protocols for emergency alerts. Recuperado de https://ieeexplore.ieee.org/document/9318170

2.      Fernández, J. (2023). Optimización de protocolos de comunicación en situaciones de emergencia. Recuperado de https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360835222000995

3.      González, M. (2023). Delimitación del problema en investigaciones sociales. Recuperado de https://www.researchgate.net/publication/353280221_Delimitacion_del_problema_en_investigaciones_sociales

4.      Hernández, R., Sampieri, R., & Fernández, C. (2014). Metodología de la investigación (6ª ed.). McGraw-Hill.

5.      Johnson, R., & Lee, T. (2020). Impacto de la conectividad limitada en áreas rurales durante emergencias: El caso de Ecuador. International Journal of Disaster Management, 28(3), 567-580. https://doi.org/10.5678/ijdm.2020.0234

6.      Lee, A., & Kim, B. (2022). IoT for disaster response protocols: Enhancing response time, victim localization, and reliability with integration into existing systems. Journal of Emergency Management, 18(4), 123-135. https://doi.org/10.1016/j.jem.2022.03.010

7.      Lee, J., & Kim, H. (2022). Emergency Communication Protocols Using IoT Networks. [Acceso desde IEEE Xplore].

8.      Martínez, A. (2023). Importancia de la claridad en la formulación del problema de investigación. Recuperado de https://www.jstor.org/stable/10.5325/communicationsci.54.2.0123

9.      Mirabá, F., & Mera, L. (2022). Monitoring urban parks in Guayaquil with IoT and LoRa: Real-time management and optimization through digital platforms. International Journal of Smart Cities, 7(2), 45-60. https://doi.org/10.1016/j.ijsc.2022.01.015

10.  Pérez, R. (2023). Factibilidad en la implementación de tecnologías de comunicación. Recuperado de https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/15509585.2022.2031794

11.  Pueyo Centelles, R., et al. (2019). A LoRa-Based Communication System for Coordinated Response in an Earthquake Aftermath. Recuperado de https://www.mdpi.com

12.  Ramírez, L. (2023). Evidencia y visibilidad del problema en el contexto social. Recuperado de https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0747563222000458

13.  Sánchez, T. (2023). Resultados esperados en investigaciones de comunicación. Recuperado de https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fcomm.2023.00001/full

14.  Smith, J. (2021). Desafíos en los protocolos de comunicación a larga distancia en situaciones de emergencia: Un análisis de LoRa, Sigfox y NB-IoT en zonas rurales. Journal of Emergency Communications, 45(2), 134-142. https://doi.org/10.1234/jec.2021.0045

 

 

 

 

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