Propuesta de servicio 5G para la agricultura inteligente en Cuba

Proposal of a 5G Service for Smart Farming in Cuba

Segui Padrón, Gabriela Gloria; Artiles Brito, Jesús Franciel

Gabriela Gloria Segui Padrón

gabrielagsp95@gmail.com

EMPRESA DE SERVICIOS DE TELECOMUNICACIONES Cuba

Jesús Franciel Artiles Brito

fartilesb@gmail.com

EMPRESA DE SERVICIOS DE TELECOMUNICACIONES Cuba

Revista Cubana de Transformación Digital

Unión de Informáticos de Cuba, Cuba

ISSN-e: 2708-3411

Periodicidad: Trimestral

vol. 3, núm. 1, 2022

rctd@uic.cu

Recepción: 30 Agosto 2021

Aprobación: 08 Noviembre 2021

URL: http://portal.amelica.org/ameli/journal/389/38931183893118004/

License Creative Commons
Esta obra está bajo una Licencia Creative Commons Atribución-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional.

Modelo de publicación sin fines de lucro para conservar la naturaleza académica y abierta de la comunicación científica

ePub generado a partir de XML JATS4R

Resumen: Con el avance de las tecnologías y el desarrollo de las comunicaciones móviles se hace necesario la implementación de la red móvil de Quinta Generación (5G) y todos los retos que esta conlleva. El Internet de las cosas (IoT) permite a los ope- radores brindar todo tipo de servicios distintos además de las comunicaciones de voz y video. La agricultura inteligente es uno de los sectores que se beneficia con el IoT donde los satélites juegan un papel importante en este tipo de comunicación. En este trabajo se realiza la propuesta de un servicio de agricultura inteligente que favorezca el desarrollo de las plantaciones tabacaleras en Cuba, empleando enlaces a través de satélites de alta eficiencia de transferencia. Se realizan, además, cálculos que comprueban la factibilidad de estos enlaces. El enlace satelital es realizable en todo el país por lo que puede emplearse en otros cultivos.

Palabras clave: Agricultura inteligente, satélites de alta eficiencia de trans- ferencia, 5G.

Abstract: With the advancement of technologies and the development of mobile commu- nications, it is necessary to implement the 5th generation (5G) mobile network and all the challenges that this entails. The Internet of Things (IoT) allows ope- rators to provide all kinds of different services in addition to voice and video

communications. Smart Agriculture is one of the sectors that benefits from IoT where satellites play an important role in this type of communication. In this work, a proposal is made for an Intelligent Agriculture service that favors the development of tobacco plantations in Cuba, using high throughput satellites. In addition, calculations are made to verify the feasibility of these links. The satellite link is feasible through all the country so it can be used in other crops.

Keywords: Smart agriculture, satellites, 5G.

INTRODUCCIÓN

El desarrollo de las comunicaciones en las últimas décadas ha marcado un gran avance eco- nómico y tecnológico. Con la Quinta generación de telefonía móvil (5G) se pretende, entre otras cosas, potenciar el desarrollo del Internet de las Cosas (IoT por sus siglas en inglés Inter- net over Things), que hoy es empleada con tecnologías existentes como la Tercera generación de telefonía móvil (3G), la Cuarta generación de telefonía móvil (4G), WiFi, entre otros. La 5G posibilita el aumento de la velocidad de los datos, la baja latencia, comunicaciones ultracon- fiables y comunicaciones masivas (Pirinen, 2015). Lo anterior posibilitará la implementación de diversas aplicaciones, una de ellas es la industria de Big Data, lo cual impulsará el rápido crecimiento de la agricultura inteligente (Cheng, 2019).

En los últimos años, las comunicaciones satelitales han tenido varios avances que la conso- lidan como una de las tecnologías imprescindibles en 5G. Entre estos avances están los satélites de alta eficiencia de transferencia (HTS por sus siglas en inglés High Throughput Satellite), el estándar de la segunda generación de radio difusión de video digital via satélite-extensión (DVB- S2x por sus siglas en inglés Digital Video Broadcasting by Satellite Second Generation- exten- sions) y el empleo de la banda Ka (30 GHz en subida y 20 GHz en bajada) para realizar enlaces de

alta velocidad (Minoli, 2015). Estos avances han propiciado el empleo de los satélites en diversas aplicaciones de vital importancia en IoT y que a la vez complementan servicios ofrecidos en 5G. Una de estas aplicaciones y que tiene una gran relevancia para Cuba es la agricultura inteligente. El objetivo de este trabajo es la propuesta de una red satelital que sustente un servicio de agricultura inteligente para la producción tabacalera en Cuba, que a la vez sea un paso de

avance hacia una futura red 5G en todo el territorio nacional.

METODOLOGÍA

Agricultura inteligente

La agricultura inteligente es un servicio IoT que se basa en la aplicación combinada de solu- ciones de las tecnología de la información y las comunicaciones (TIC) como procesamiento de

imágenes, aprendizaje automático, sistemas de posicionamiento geográfico, Big Data, vehícu- los aéreos no tripulados, redes de sensores inalámbricos, entre otros (Moysiadis, Sarigianni- dis, Vitsas, & Khelifi, 2021).

Las aplicaciones de agricultura inteligente pueden proporcionar grandes beneficios en tér- minos de problemas ambientales, haciendo un uso más eficiente del agua y optimizando los tratamientos a las tierras e insumos (Bernardo, 2021).

A continuación se citan algunas tecnologías de agricultura inteligente disponibles en el mercado (Sciforce, 2019):

• Tecnologías de detección, incluyendo escaneo de suelos, agua, luz, humedad, manejo de temperatura;

• Aplicaciones de software: soluciones de software especializadas que se dirigen a tipos de

granja específicos;

• Tecnologías de la comunicación, como la comunicación celular;

• Tecnologías de posicionamiento, incluido el GPS;

• Sistemas de hardware y software que permiten soluciones basadas en IoT, robótica y au- tomatización; y

• Análisis de datos, que subyace en los procesos de toma de decisiones y predicción.

La agricultura de precisión es una idea general para los enfoques basados en IoT que hacen que la agricultura sea más controlada y precisa. En el proceso de optimización de cultivo, los dispositivos de IoT instalados en una granja deben recopilar y procesar datos en un ciclo re- petido que permita a los agricultores reaccionar rápidamente ante los problemas emergentes y los cambios en las condiciones ambientales (Sciforce, 2019).

La agricultura inteligente tiene un potencial real para ofrecer una producción agrícola más productiva y sostenible, basada en un enfoque más preciso y eficiente en el uso de los recur- sos. Las ventajas que añade la agricultura inteligente a la industria alimentaria y tabacalera en Cuba son de vital importancia para el desarrollo sostenible. Dentro de las opciones para poder realizar avances en la agricultura inteligente en Cuba está la tecnología satelital. Los satélites geoestacionarios (GEO por sus siglas en inglés Geostationary Earth Orbit) harían la función de repetidor entre los sensores instalados en los suelos y el agricultor. La implementación de un enlace satelital entre las plantaciones donde estén desplegados los sensores y demás tecno- logías IoT permitiría al productor agrícola conocer en tiempo real los parámetros de los sue- los, el estado meteorológico, el estado de salud de sus animales e incluso sus herramientas de trabajo, dígase por ejemplo las maquinarias empleadas en la producción de granos, los arados de la tierra, entre otros (Segui, G.G., 2019).

Estructura de la red de medición propuesta

La estructura de las red de medición y de comunicación propuesta está basada en un grupo de sensores que miden las condiciones meteorológicas y los parámetros de la tierra que ne- cesita conocer el agricultor para poder obtener óptimos resultados. El otro elemento es una estación terrena a instalar en las plantaciones que a través de un hostpot o punto de acceso

wifi, recepciona la señal WiFi enviada desde los sensores. Luego esta estación envía la señal a un satélite GEO, el cual se recomienda que sea HTS debido a la posibilidad de transmitir con más potencia, lo cual permite el empleo de antenas más pequeñas y por lo tanto más baratas. Finalmente el usuario final es un agricultor o un productor que mediante una estación terre- na receptora reciba la señal proveniente del satélite. La misma puede ser una antena satelital ubicada en la empresa o en el domicilio del agricultor o su propio teléfono móvil, dado que la 5G propone el uso de la banda Ka en teléfonos de comunicaciones (CORDIS, 2021). La figura 1 muestra el esquema propuesto, el cual está compuesto por los elementos mencionados. Los backhaul satelitales permiten, utilizando infraestructura existente, enviar la información a grandes ciudades donde estén ubicadas las empresas principales del sector.

Figura 1
Estructura de la red satelital 5G propuesta

sf

Red de medición

Los sensores inalámbricos son los elementos encargados de realizar las mediciones de los suelos y del clima, además de conformar la primera etapa de la red de comunicación hasta el cliente. Estos sistemas de monitoreo inteligente de campo ayuda a los productores a reducir el uso de agua, ahorrar costos de producción, mejorar la calidad de los cultivos y protegerlos contra peligros climáticos. Los sensores inalámbricos utilizan una tecnología de malla ina- lámbrica y operan en diferentes frecuencias en dependencia del fabricante. Estas pueden va- riar entre 433MHz, 868 MHz, 915 MHz y 2,4 GHz (Islam, 2020).

Estos sistemas están conformados por una estación de registro de datos remota que pro-

porciona acceso instantáneo a datos ambientales específicos del sitio desde cualquier lugar y en cualquier momento a través de Internet por diferentes vías (WiFi, Ethernet, 3G o 4G); además presentan un módulo de gestión inalámbrica donde se recopila todos los datos de los

sensores que serán procesados para su posterior entrega al usuario, una plataforma de soft- ware habilitada para la web diseñada para el sistema de monitoreo de campo; y una serie de sensores que cumplen varias funciones, como son las mediciones de humedad del suelo, la temperatura y humedad relativa, los niveles de lluvia, de radiación solar, la velocidad y direc- ción del viento, la humedad de la hoja, la presión barométrica, el nivel de agua y el cálculo de evapotranspiración (Eiccontrol, s.f.). La figura 2 muestra un sistema de monitoreo de campo expandido en una plantación donde la comunicación de los sensores es a través de WiFi y el agricultor puede consultar el estado de los cultivos vía web dentro de la plantación con su propio teléfono.

Figura 2
Sistema de monitoreo de campo

(Eiccontrol, s.f.)

Enlace satelital

El enlace satelital está conformado por dos estaciones terrenas y un satélite actuando como repetidor en el espacio (Echenique, 2011). Las estaciones terrenas transmisoras se ubican en las zonas de cultivo o zonas relativamente cercanas a estas. El satélite, por su parte, es el ele- mento principal del enlace por lo que su elección es de vital importancia para lograr un enlace eficiente y un costo de proyecto lo más económico posible. Para la propuesta de servicio de este trabajo, se va a emplear el satélite Intelsat 37e de la serie Epic de Intelsat. Esta elección se realiza debido a las facilidades y detalles acerca de la configuración operacional y característi- cas que ofrece Intelsat (Intelsat, s.f.) acerca de su flota satelital, lo cual favorece el trabajo con el cálculo del enlace satelital.

Intelsat 37e

El Intelsat 37e es un satélite HTS que ofrece servicios globales de alto rendimiento que brin- da servicios en las bandas C, Ku y Ka. Se encuentra ubicado en la órbita geoestacionaria a los

18º de longitud oeste (18W). El Intelsat 37e presta una amplia gama de servicios de telecomu- nicaciones flexibles a escala global entre los que se encuentran la transmisión de señales de voz, datos y vídeo, el acceso a los servicios de internet de banda ancha, telefonía IP, televisión directa al hogar, difusión de señales de TV y radio, entre otros (Intelsat, s.f.).

Zonas tabacaleras en Cuba

A lo largo del archipiélago cubano existen varias zonas donde se cultiva tabaco, cuyas hojas son destinadas a la producción de Habanos, el cual tiene un aporte muy favorable a la econo- mía de Cuba. En la parte occidental se destaca la producción en San Juan y Martínez y San Antonio de los Baños, siendo consideradas dos de las zonas más importantes de cultivo. Otras de las zonas de importancia que se toman de referencia para realizar el cálculo de enlace sa- telital son cultivos pertenecientes a Santa Clara, Las Tunas y Bayamo. La tabla 1 muestra la ubicación geográfica de las regiones mencionadas (latitud y longitud) que se emplean para calcular el enfoque de la estación terrena transmisora al satélite (Segui, G.G., 2019).

Tabla 1:
Ubicación geográfica de las zonas tabacaleras

sf

Cálculo del enlace satelital

El enlace ascendente lo conformarán las cinco zonas de cultivo mencionadas anteriormente. El enlace descendente se realiza tomando como referencia de estación receptora un móvil sa- telital ubicado en el punto más desfavorable del país, con respecto a la ubicación del satélite seleccionado que es el Valle San Juan. La figura 3 muestra el mapa de Cuba con los 5 enlaces ascendentes y el enlace descendente a calcular.

Para realizar los cálculos del enlace satelital se tienen en cuenta ciertas consideraciones debido a que los datos del satélite son reservados por parte de las operadoras satelitales y son desconocidas para el usuario.

Como dato para el cálculo del enlace, se escoge un teléfono con una antena de microcinta para banda Ka con ganancia de 40 dBi. Además se tiene en cuenta que un teléfono móvil no suelen soportar temperaturas mayores a los 45ºC (Huawei, s.f.), por ello la temperatura del sistema de antena móvil se asume de 35ºC, lo que equivale a 308.5K.

Por otra parte, los valores de transmisión de los sensores ascienden hasta 250 kbps (Eiccontrol, s.f.), lo que posibilita que la razón de símbolo no sea muy elevada para este tipo de aplicación y a su vez permite poder alquilar bajos anchos de banda en el transpondedor. En este caso específico se considera una razón de símbolo de 0.5 Msymb/s, con una MODCOD 16APSK 1/2-L, para un ancho

Figura 3
Enlaces Satelitales a las zonas tabacaleras cubanas.

sf

de banda de 12 MHz, usando el estándar DVB-S2x por las ventajas que este posee (Minoli, 2015). La tabla 2 muestra parámetros del satélite necesarios para realizar el cálculo del enlace donde OBO (por sus siglas en inglés Output Back Out) e IBO (por sus siglas en inglés Input Back Out) son los backup o reducción de potencia del transpondedor en entrada y salida respectivamente. La tabla 2 muestra los parámetros de la configuración operacional del satélite para el servicio propuesto.

Tabla 2
Parámetros del satélite Intelsat 37e (Intelsat37e, s.f.).

sf

Ecuaciones Que intervienen en el enlace

Los objetivos fundamentales de un enlace satelital son garantizar una probabilidad de bit

erróneo (BER por sus siglas en inglés Bit Error Rate) para condiciones normales de operación

y mantener la disponibilidad del enlace, lo que equivale a garantizar una calidad de servicio determinada la cual está caracterizada por la relación entre la potencia de la portadora (C por su sigla en inglés Carrier) y el ruido a la entrada del receptor (N por su sigla en inglés Noise) (Diaz, 2009)

La ecuación general del enlace está dada por la relación portadora/ruido (Diaz, 2009),

sn

sf

Donde:

• PIRE: potencia relativa equivalente referida a una fuente isotrópica de la antena trans- misora (dBi).

• C: potencia de la portadora.

• N: potencia de ruido.

• L: pérdidas de transmisión (dB).

• GRx: ganancia de la antena receptora.

• K: constante de Boltzmann´s (1.314x10-23 W/°K/Hz).

• T: temperatura de ruido (ºK).

• B: Ancho de banda (Hz).

El término (C/N₀) es conocido como la relación portadora / densidad de ruido y expresa la relación entre la potencia de la portadora y 1Hz de ancho de banda. Las siguientes expresiones calcular directamente la relación energía por bit/densidad de ruido, mediante las siguientes relaciones:

sn

sf

Donde:

• RD: velocidad digital (bit/s).

• Eb: energía por bit (referida a la velocidad digital) (dBW/Hz).

• N0: densidad de ruido espectral (dBW/Hz).

• C: potencia de la portadora (dBW).

La relación portadora/ruido térmico (C/T) se considera la adecuada para realizar los cál- culos debido a que independiza las portadoras digitales del ancho de banda ocupado en el transpondedor (Echenique, 2011):

Donde k es la contante de Boltzmann.

sn

sf

Para conocer si el enlace es factible es necesario que C/Tdiseño < C/Ttotal, donde C/Ttotal es el valor real de la relación portadora / ruido en el satélite y está dado por (Echenique, 2011):

sn
sn

sf

Donde L son las pérdidas y GRx/Ts es la relación Ganancia/Temperatura de ruido del siste- ma del enlace descendente, dígase en este caso de la estación terrena receptora.

La C/Ttotal está condicionada por diversos parámetros que en su conjunto determinan el valor de C/TTotal, la cual se calcula mediante la ecuación 6, donde: C/Tup es la relación portado- ra / ruido térmico para el enlace ascendente, C/Tdown es la relación portadora / ruido térmico para enlace el enlace descendente, C/THPA IM es la relación portadora / ruido térmico causado por los productos de intermodulación en el HPA, C/TIM SAT es la relación portadora / ruido térmico causado por los productos de intermodulación en el satélite y C/TCCI es la relación portadora / ruido térmico causado por la interferencia cocanal.

sn
sn

sf

Para poder hallar la ecuación 6 es necesario calcular por separado cada uno de estos pa- rámetros:

sn
sn

sf

Donde:

• C/Tup: relación portadora / ruido térmico para el enlace ascendente.

• β: factor de corrección para el ángulo de elevación y la localización de la ET para enlace ascendente y descendente.

• m: margen para lluvia y error de enfoque.

• C/Tdown: relación portadora / ruido térmico para enlace el enlace descendente

• A: límite de los productos de Intermodulación para un ángulo de elevación de 10 grados. (tabla 3)

• X: factor de corrección para el ángulo de elevación y la localización de la ET.

• SATIM: PIRE del límite de Intermodulación especificado en 4 KHz.

• C/I: relación portadora/ interferencia.

• BWocupado: Ancho de banda ocupado por la portadora, referido a la portadora con la cual se está efectuando el cálculo (Hz).

Otro parámetro a considerar durante el cálculo es el PIRE de operación del satélite, el cual tiene que ser estrictamente inferior al PIRE de saturación del mismo para evitar la aparición de productos de intermodulación en el HPA del satélite lo cual traería consigo además un au- mento considerable de la interferencia cocanal en el transpondedor.

sn

sf

Por la misma razón anterior, para evitar la aparición de productos de intermodulación en el HPA del satélite, se calcula la reducción de potencia a la salida (OBO, por sus siglas en inglés Output Back Out) y la reducción de potencia a la entrada (IBO, por sus siglas en inglés Input Back Out). Los valores obtenidos de estos parámetros tiene que ser superiores a los estableci- dos por el operador (Echenique, 2011).

sn

sf

Donde X es el factor de compresión del satélite y se calcula restando los valores de OBO = 5 dB e IBO = 7 dB en saturación definidos por el operador satelital, por lo que para el satélite en cuestión X = 2.

Posteriormente es necesario calcular el PIREET necesario para suplir dicho enlace (Eche- nique, 2011).

sn

sf

Donde G1m2 es la ganancia de una antena plana ideal de 1 metro de diámetro en dependen- cia de la frecuencia y está dada por (Echenique, 2011):

sn

sf

W es la iluminación del satélite por unidad de área,

sn

sf

y mup es el margen de pérdidas para el que está concebido el enlace ascendente.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Llevando a cabo el procedimiento anteriormente, se obtienen los siguientes resultados. El en- lace es factible para antenas de 3,7 metros de diámetro en las zonas de cultivo (representado

como HUB), empleando amplificadores de potencia (HPA) de 500 W trabajando con un OBO de HPA de aproximadamente 1 dB, lo que garantiza el enlace satelital con 5 dB de margen ascendente y 5 dB en el descendente.

La tabla 3 muestra detalladamente los resultados del cálculo en cuestión, donde C/T son

las relaciones de portadora temperatura de ruido del enlace ascendente (C/Tup), del enlace descendente (C/Tdown), de los productos de intermodulación del HPA (C/THPA IM), de intermo- dulación en el satélite (C/TSAT IM), de interferencia cocanal (C/TCO) y total (C/TTotal). Además UPC (por sus siglas en inglés Uplink Power Control) se refiere a un controlador de potencia

empleado para optimizar la potencia de transmisión de la estación terrena transmisora:

Tabla 3
Resultados del cálculo del enlaces satelital propuesto

sf

CONCLUSIONES

Los cálculos realizados muestran que el satélite Intelsat 37e, o uno con características de po- tencia similares, es capaz de brindar una buena cobertura en banda Ka para ofrecer el servi-

cio agricultura inteligente en todo el territorio nacional con la velocidad requerida, dando una velocidad de información (IR) de 1 Mbps dentro de un ancho de banda de 12 MHz para este tipo de servicio exclusivamente.

Un servicio 5G para la agricultura anteligente a través del enlace satelital propuesto per- mitiría a la agricultura del país una mayor calidad en la producción tabacalera así como un ahorro de recursos no renovables. Además, se podría utilizar este trabajo como referencia en cualquier otra área de servicios que se desee desarrollar a través de dicho enlace.

REFERENCIAS

Cheng, H. M. (2019). Research on key technologies of intelligent agriculture under 5G envi- ronment. Journal of Physics: Conference Series (Vol. 1345, No. 4, p. 042057). IOP Publi- shing. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1345/4/042057/meta

CORDIS. (2021). Kaband GaN-based SSPA for flexible payloads and multicarrier operation for 5G satellite concept. Obtenido de https://cordis.europa.eu/project/id/821830

Díaz, E. (2009). Cálculo de Enlace Satelital (Trabajo de diploma). Instituto Superior Politéc- nico”José Antonio Echeverría”, Ciudad de la Habana.

Echenique, P. (2011). Propuesta de Orientación de los servicios de los Telepuertos Satelitales de ETECSA. (Trabajo de diploma). Instituto Superior Politécnico”José Antonio Echeve- rría”, Ciudad de la Habana.

Islam, N., Rashid, M. M., Pasandideh, F., Ray, B., Moore, S., & Kadel, R. (2021). A Review of Applications and Communication Technologies for Internet of Things (IoT) and Unman- ned Aerial Vehicle (UAV) Based Sustainable Smart Farming. Sustainability, 13(4), 1821. https://doi.org/10.3390/su13041821

Minoli, D. (2015). Innovations in satellite communications and satellite technology: the in- dustry implications of DVB-S2X, high throughput satellites, Ultra HD, M2M, and IP. John Wiley & Sons. Moysiadis, V., Sarigiannidis, P., Vitsas, V., & Khelifi, A. (2021). Smart farming in Europe. Computer Science Review, 39, 100345. https://doi.org/10.1016/j.cos- rev.2020.100345

Pirinen, P. (2014, November). A brief overview of 5G research activities. In 1st International Conference on 5G for Ubiquitous Connectivity (pp. 17-22). IEEE. https://doi.org/ 10.4108/ icst.5gu.2014.258061

Segui, G.G. (2019). Integración de satélites a 5G y su aplicación para el sector tabacalero en Cuba (Trabajo de diploma). Instituto Superior Politécnico “José Antonio Echeverría”, La Habana.

Bernardo, E. B. (Marzo de 2021). El valor del uso eficiente del agua en la agricultura. CCAFS. Obtenido de https://ccafs.cgiar.org/es/news/el-valor-del-uso-eficiente-del-agua-en-la-agri- cultura.

Eiccontrol. (s.f.). EIControl Group. Obtenido de https://eiccontrols.com/en/agricultural-re- search/69-sistema-hobonet-sensores-inalambricos-hasta-600m-de-alcance.html

Huawei. (s.f.). Rango de temperatura normal del teléfono durante el uso. Obtenido de https:// consumer.huawei.com/es/support/content/es-es00409853/

Intelsat. (s.f.). https://www.intelsat.com/

Sciforce. (junio de 2019). Smart Farming, or the Future of Agriculture. Obtenido de https:// medium.com/sciforce/smart-farming-or-the-future-of-agriculture-359f0089df69