LPWAN: ¿Qué es y para qué sirve?

El futuro de la comunicación y la conectividad será diferente al actual. Veremos una enorme disminución del número de torres de telefonía móvil y un aumento de los dispositivos pequeños y de baja potencia que se conectan mediante redes inalámbricas. Estas redes inalámbricas estarán diseñadas para satisfacer necesidades específicas, como la capacidad de conectarse con otros dispositivos cuando estén cerca y luego cambiar a la conectividad de largo alcance cuando se alejen del rango. Además, estos dispositivos deben ser capaces de consumir la menor cantidad de energía posible, de modo que la duración de la batería se prolongue al máximo. Por eso la tecnología LPWAN se ha hecho tan popular en los últimos años. Se utiliza para conectar sensores remotos, contadores, actuadores, sistemas de telemetría, dispositivos de seguimiento de activos y otras cosas por el estilo mediante el uso de redes de bajo ancho de banda (con latencia 500 ms) a través de enlaces inalámbricos de largo alcance (~1 km).

¿Qué es una LPWAN?

El término LPWAN significa red de área amplia de baja potencia. Es la tecnología que ha impulsado el crecimiento de los dispositivos del Internet de las Cosas (IoT). Está diseñada para satisfacer necesidades específicas: la capacidad de conectarse a otros dispositivos cuando están cerca y luego cambiar a la conectividad de largo alcance cuando se mueven fuera del rango. Es similar al funcionamiento de las redes móviles, en el sentido de que están diseñadas para satisfacer necesidades específicas. Por ejemplo, las redes 2G están diseñadas para satisfacer necesidades específicas de voz. Las redes 3G están diseñadas para satisfacer necesidades específicas de datos. Las redes 4G están diseñadas para satisfacer necesidades específicas de datos con un mayor ancho de banda.

LoRaWAN es un protocolo de red de capa de enlace, que usa la tecnología de radio LoRa para comunicar y administrar dispositivos de Internet de las Cosas que utilizan LoRa.

Algunas características del protocolo son las siguientes:

• Es un protocolo completamente bidireccional, lo que permite la entrega confiable de mensajes (confirmaciones).
• Incluye encriptación de extremo a extremo para seguridad y privacidad de datos.
• Permite el registro en el aire (OTA) de nodos finales y tiene capacidad de multidifusión.
• El estándar garantiza la interoperabilidad de las diversas redes LoRaWAN en todo el mundo.

Hay 2 pilas de protocolo disponibles sobre LoRa: LoRaWAN y Symphony Link.

• Symphony Link es un protocolo para usuarios industriales y empresariales que necesitan características avanzadas.
• LoRaWAN es un protocolo de control de acceso al medio (MAC) diseñado para redes públicas a gran escala con un único operador y construido sobre el esquema de modulación LoRa de Semtech.

La comunicación M2M y su importancia

La comunicación M2M es la comunicación de máquina a máquina. Es el intercambio de datos entre dispositivos que no tienen interfaz de usuario. Algunos ejemplos son los sensores de las máquinas, como los que supervisan un proceso de fabricación, u otros dispositivos, como las máquinas expendedoras o los equipos remotos. La comunicación es importante porque permite a los distintos dispositivos conectarse, compartir datos e intercambiar instrucciones. Cada dispositivo conectado a una red de comunicación M2M envía datos a un servidor central. Las redes de comunicación M2M están diseñadas para satisfacer necesidades específicas: una baja tasa de bits, baja latencia, bajo rendimiento y largo alcance. La baja tasa de bits significa que la comunicación no está pensada para que los humanos la lean o la entiendan. La baja latencia significa que la información se envía y recibe lo más rápidamente posible. El bajo rendimiento significa que la comunicación sólo está destinada a enviar pequeñas cantidades de datos. El largo alcance significa que la comunicación puede llegar a dispositivos que están lejos del servidor central utilizando enlaces de comunicación de largo alcance.

Diferentes tipos de tecnologías LPWAN

- Red de área amplia de baja potencia (LPWAN): Los dispositivos del Internet de las cosas (IoT) suelen utilizar la tecnología LPWAN.

- Red de área amplia inalámbrica (WWAN): Los dispositivos celulares suelen utilizar la tecnología WWAN.

- Red de área local inalámbrica (WLAN): Los dispositivos inalámbricos de un edificio suelen utilizar la tecnología WLAN.

- Red de Área Metropolitana Inalámbrica (WMAN): La WMAN se utiliza normalmente en una ciudad.

- Red de área personal inalámbrica (WPAN): los dispositivos inalámbricos de un grupo de personas suelen utilizar la tecnología WPAN.

- Enlace por satélite: Los enlaces por satélite utilizan satélites en el espacio para proporcionar comunicación.

¿Cómo funciona una LPWAN?

Cuando se utiliza una LPWAN para conectar dispositivos remotos, éstos intercambian datos de baja velocidad a través de un enlace inalámbrico de largo alcance con una pasarela cercana. Los dispositivos remotos y las pasarelas suelen funcionar a un nivel de potencia bajo para que consuman la menor cantidad de energía posible. Esto se debe a que los dispositivos se utilizan a menudo en lugares con una disponibilidad de energía esporádica o baja, como en la minería o en los vehículos de transporte, donde se utilizan baterías para la alimentación. Los dispositivos remotos se comunican con una pasarela que los conecta a un servidor central mediante redes celulares. Las redes celulares se utilizan porque tienen enlaces de largo alcance y pueden transmitir datos a un servidor central. El dispositivo remoto y la pasarela utilizan un protocolo para enviarse datos mutuamente. El dispositivo remoto envía datos a la pasarela cuando un sensor, como el de temperatura, activa la medición de datos. La pasarela envía datos al servidor central cuando recibe datos de uno o varios dispositivos remotos.

Ventajas de utilizar una LPWAN

- Bajo coste: Los dispositivos LPWAN tienen un coste relativamente bajo en comparación con los dispositivos celulares y WiFi porque requieren menos energía, menos computación y menos transmisión.

- Bajo consumo: Los dispositivos LPWAN están diseñados para consumir la menor cantidad de energía posible. Esto puede ser importante cuando se utilizan en lugares con baja disponibilidad de energía, como las minas, donde la temperatura puede ser alta o los dispositivos pueden necesitar funcionar las 24 horas del día.

- Baja velocidad de transmisión: Los dispositivos LPWAN utilizan una baja tasa de transmisión; por lo tanto, pueden transmitir datos en muy poco tiempo. Esto es importante cuando se necesita transmitir datos rápidamente, como en una aplicación minera.

- Largo alcance: Los dispositivos LPWAN pueden tener enlaces de comunicación de largo alcance. Esto es importante porque permite colocar los dispositivos a gran distancia unos de otros.

Limitaciones de una LPWAN

- Bajo rendimiento: Los dispositivos LPWAN tienen un bajo rendimiento, lo que significa que sólo pueden enviar datos a una velocidad baja. Esto es importante porque puede ser necesario enviar grandes cantidades de datos, como en una aplicación industrial.

- Ancho de banda bajo: los dispositivos LPWAN tienen un ancho de banda bajo, lo que significa que sólo pueden enviar datos a una velocidad baja. Esto es importante porque puede ser necesario enviar grandes cantidades de datos, como en una aplicación industrial.

- Baja latencia: Los dispositivos LPWAN tienen una baja latencia, lo que significa que tardan mucho en enviar datos. Esto es importante cuando los datos deben enviarse rápidamente, como en una aplicación industrial.

- Opciones limitadas de los dispositivos: Los dispositivos LPWAN utilizan una baja tasa de bits, un bajo ancho de banda y una baja latencia. Esto significa que los dispositivos no pueden enviar datos que puedan ser leídos por humanos.

- Distancia limitada de los dispositivos: Los dispositivos LPWAN tienen una baja tasa de bits y un bajo ancho de banda, lo que significa que sólo pueden enviar datos a una baja tasa a una larga distancia.

- Conexiones de dispositivos limitadas: Los dispositivos LPWAN tienen un bajo rendimiento, un bajo ancho de banda y una baja latencia. Esto significa que sólo pueden enviar datos a un número reducido de dispositivos.

¿Debo utilizar una LPWA?

Sí, si necesita conectar dispositivos a largas distancias con bajos requerimientos de energía, una tecnología LPWAN es una gran elección. Si lo importante es transmitir datos rápidamente, una LPWAN no es una buena opción por su bajo rendimiento y latencia. Si es importante enviar grandes cantidades de datos, una LPWAN no es una buena opción por su bajo rendimiento y su escaso ancho de banda. Si es importante enviar datos rápidamente, una LPWAN no es una buena opción por su baja latencia. Si es importante enviar datos que puedan ser leídos por humanos, entonces una LPWAN no es una buena opción porque no está diseñada para este propósito. Si es importante enviar datos a muchos dispositivos, entonces una LPWAN no es una buena opción debido a su bajo rendimiento y al reducido número de conexiones.

¿Pero, qué es LoRaWAN™?

LoRaWAN es la pila de protocolos en la parte superior de LoRa. Es un protocolo de capa de control de acceso a medios (MAC), que actúa como un protocolo de gestión de red para LPWAN. Es responsable del enrutamiento entre puertas de enlace y nodos finales. La versión 1.0 de la especificación LoRaWAN se introdujo en junio de 2015. Sin embargo, la Alianza LoRa la ha mantenido con pocas variaciones salvo revisiones de seguridad.

LoRaWAN define el protocolo de comunicación y la arquitectura del sistema para la red, mientras que la capa física LoRa habilita el enlace de comunicación de largo alcance. LoRaWAN también es responsable de administrar las frecuencias de comunicación, la velocidad de datos y la potencia de todos los dispositivos. Los dispositivos transmiten de forma asíncrona cuando tienen datos para enviar. Los datos transmitidos por un dispositivo de nodo final son recibidos por múltiples puertas de enlace, que envían los paquetes de datos a un servidor de red centralizado. El servidor de red filtra paquetes duplicados, realiza comprobaciones de seguridad y gestiona la red. Los datos se reenvían a los servidores de aplicaciones. La tecnología es altamente confiable bajo cargas moderadas, sin embargo, existen problemas con la transmisión de reconocimiento.

En este artículo intentaremos profundizar en:

• Cómo construir redes públicas o privadas con LoRa/LoRaWAN
• Cómo funciona LoRaWAN
• Clases A, B, and C en LoRaWAN
• ¿Qué son los parámetros cómo el Chirp rate, processing gain, y la ortogonalidad?
• Sobre las capacidades de Downlink y uplink.
• Y también sobre las limitaciones del Duty cycle del protocolo LoRaWAN.

LoRa y LoRaWAN como tecnologías IOT: ¿Cuál es su diferencia?

LoRaWAN es una tecnología de comunicaciones inalámbricas de baja potencia y área amplia basada en redes en estrella entre los dispositivos IoT y las pasarelas LoRaWAN (gateways), y redes IP desde los gateways hasta los servidores de red y aplicación.

Los dispositivos LoRaWAN se comunican con los gateways de forma inalámbrica empleando normalmente el estándar LoRa en bandas ICM. Es importante entonces establecer la diferencia entre LoRa y LoRaWAN: LoRa es una tecnología de capa física que establece cómo distintos dispositivos de baja potencia se comunican entre sí de forma inalámbrica empleando una modulación propietaria de banda estrecha denominada CSS (Chirp Spread Spectrum), mientras que LoRaWAN es una tecnología de acceso al medio (MAC) para redes en estrella que proporciona, entre otros, servicios de autenticación, cifrado y adaptación dinámica del ancho de banda.

Arquitectura de las redes LoRaWAN

Estructura de red LoRaWAN

En una red LoRaWAN clásica, los dispositivos finales, y que disponen de uno o varios sensores o actuadores concectados a ellos, son los denominados nodos que se conectan a gateways y estos a su vez envían toda la información que reciben a un servidor, que por medio de una interfaz de aplicaciones o API entrega a su vez los datos a una aplicación final para el usuario.

Podemos distinguir por tanto los siguientes elementos en una red LoRaWAN:

• Nodos finales
• Gateways
• Servidores de red
• Servidores de aplicación

Nodos finales

Los nodos finales son dispositivos de hardware físico que contienen capacidades de detección, algo de potencia de cálculo y un módulo de radio para traducir los datos en una señal de radio, además de los sensores o actuadores con los que se conectan.

Típicamente, los nodos se pueden construir a partir de los módulos de radio cómo los que ofrecemos en nuestra tienda online y algún tipo de microcontrolador como Arduino u otros de mayor potencia de cálculo a los que asociamos diferentes sensores y/o actuadores.

Fig. Ejemplo de nodo LoRaWAN

Los nodos envían o reciben datos hacia o desde las puertas de enlace o gateways LoRaWAN, hacia o desde Internet mediante una conexión de datos Ethernet, 3G-4G o similar.

Un nodo puede alcanzar una autonomía de varios años de vida con una pequeña batería si se programa para que se ponga en modo de suspensión profunda para optimizar el consumo de energía y únicamente se despierta en el momento de transmitir los datos vía LoRa. Esta es una de las mayores ventajas de esta tecnología.

Cuando un dispositivo final envía un mensaje a la puerta de enlace, se lo denomina ‘Enlace ascendente’ Uplink. Cuando recibe un mensaje de la puerta de enlace se lo denomina ‘Enlace descendente’ o Downlink.

En base a esto, hay tres formas diferentes de diferenciar o clasificar los dispositivos nodos LoRa:

• Dispositivos de Clase A
• Clase B
• y Clase C

Clases de dispositivos

Fig. Relación entre la latencia y la duración de la batería para distintas clases de nodos

Dispositivos de Clase A

Los dispositivos esta clase son los que tienen el menor consumo de energía. Sin embargo, estos sólo pueden recibir un enlace descendente después de enviar un mensaje de enlace ascendente.

Los dispositivos de Clase A pueden utilizarse de dos formas:

• enviar datos en un intervalo de tiempo (por ejemplo, cada 15 minutos)
• o enviar datos con eventos (p. ej. cuando la temperatura supera los 21º o por debajo de 19º).

Dispositivos de Clase B

Los nodos finales que usan el tipo B permiten más espacios de mensajes de enlace descendente que para los de clase A. Esto reduce la latencia de los mensajes pero al mismo tiempo hace que sea menos eficiente en el uso de la energía.

Dispositivos de recepción continua

Por último, la clase C tiene ventanas de recepción continua que solo se cierra cuando el dispositivo está enviando un mensaje de enlace ascendente.

Debido a esto, es el menos eficiente de energía y en la mayoría de los casos necesita una fuente de energía constante para operar.

Gateways

Las puertas de enlace o gateways también se conocen como módems, puntos de acceso o pasarelas. Una puerta de enlace también es un dispositivo de hardware que recoge todos los mensajes LoRaWAN de los nodos finales. Estos mensajes se convierten en bits que se pueden enviar a través de las redes IP tradicionales. La puerta de enlace está conectada al servidor de red al que transmite todos los mensajes.

Las pasarelas son transparentes y con un poder computacional limitado, toda la complejidad y la inteligencia se ejecutan en el servidor de red. Según el uso y el tipo, las puertas de enlace vienen en dos tipos:

• Gateway indoor o de uso en interiores, como por ejemplo, las pasarelas de Multitech o el gateway de The Things Network TTIG.
• Gateway outdoor, de uso al aire libre, como por ejemplo Kerlink IoT Station, las RAK Outdoor o el LoRiX One que distribuye AlfaIoT.

En el ámbito maker también se pueden construir gateways LoRaWAN DIY utilizando, por ejemplo una Raspberry Pi o cualquier otro SBC y una placa como la ic880a de la compañía alemana IMST que también distribuye AlfaIoT. Otra solución maker que se está utilizando mucho últimamente es el RAK 831 + Raspberry Pi

Servidores de red

Todos los mensajes de las puertas de enlace se envían al servidor de red. Aquí es donde tienen lugar los procesos más complicados de tratamiento de datos.

Es el principal responsable de:

• Enrutamiento / reenvío de mensajes a la aplicación adecuada.
• Seleccionar la mejor puerta de enlace para el mensaje de enlace descendente, típicamente en función de una indicación de calidad de enlace, calculada a partir del RSSI (Indicación de la intensidad de la señal recibida) y la SNR (Relación de señal a ruido) de los paquetes recibidos previamente.
• Eliminación de mensajes duplicados si se reciben por múltiples puertas de enlace.
• Descifrar los mensajes enviados desde los nodos finales y encriptar los mensajes que se envían a los nodos.

Las puertas de enlace normalmente se conectan al servidor de red en un enlace cifrado de Protocolo de Internet (IP). La red generalmente contiene una interfaz de puesta en servicio y supervisión de puerta de enlace, lo que permite que el proveedor de red administre las puertas de enlace, maneje situaciones de fallo, monitorizar alarmas, etc.

The Things Network es una red global de datos de Internet de las Cosas compartida, administrada por los usuarios y abierta. Hay más de 40,000 personas de más de 90 países alrededor del mundo que están construyendo esta red global de datos de Internet de las Cosas usando LoRaWAN.

Servidores de aplicación

En los servidores de aplicación es donde se ubican las verdaderas aplicaciones de IoT. En los servidores de aplicación es dónde se realizan procesos útiles con los datos recopilados de los dispositivos finales.

Los servidores de aplicaciones se ejecutan principalmente en una nube privada o pública, que interactua con el servidor de red LoRaWAN y realizan el procesamiento específico de la aplicación. La interfaz con el servidor de aplicaciones es manejada por el servidor de red.

En un artículo posterior veremos cómo funcionan y cómo utilizar los servicios de The Things Network.

Cómo funciona LoRaWAN

En LoRaWAN podemos distinguir claramente dos partes en la red: gateways y nodos, los primeros son los encargados de recibir y enviar información a o desde los nodos hacia Internet y los segundos, son los dispositivos finales que envían y reciben información de los sensores o actuadores hacia el gateway.

La estructura de capas de red, similar al modelo OSI de redes, nos muestra cómo LoRaWAN es una capa que corresponde a una capa similar a la capa de enlace y se coloca por encima de la capa LoRa, que es similar a una capa física.

Fig. Modelo de capas de red

Esta estructura nos da gran flexibilidad para construir redes de sensores y/o actuadores para IoT, con las siguientes características:

• Topología estrella
• Alcance de 10 a 15km en línea de vista
• Encriptación AES 128
• Soporte para 3 clases de nodos
• Administración de dispositivos
• Redes públicas y privadas
• Bajo consumo y largo alcance
• Baja transferencia de datos (hasta 242 bytes)

¿Dónde puedes usar LoRa o LoRaWAN?

Existen gran cantidad de aplicaciones donde podemos utilizar LoRa o LoRaWAN : Conexiones punto a punto (P2P) o máquina a máquina.Redes de sensores en ciudades, campo o industria.Redes IoT donde NO se requiere transferir voz o vídeo.Tracking de vehículos, animales o personas.Redes privadas que no requieren conectarse a servicios en la nube o donde no hay cobertura celular.

Ciclo máximo de uso (Duty cycle)

El Duty Cycle es la fracción de tiempo durante la cual el recurso está ocupado.

Por ejemplo, si un único nodo transmite en un canal durante 2 unidades de tiempo cada 10 unidades de tiempo, el dispositivo tiene un duty cycle del 20%.

Restricciones del Duty cycle

El duty cycle o ciclo de uso de los dispositivos de radio está regulado por normativas regulatorias que establecen el tiempo de uso de cada canal que puede ejercer un dispositivo. Normalmente no debe superarse el 1%.

En Europa, los ciclos de trabajo están regulados por la sección 7.2.3 del estándar ETSI EN300.220 . Este estándar define los siguientes duty cycles para cada una de las siguientes sub-bandas:

• g (863.0 – 868.0 MHz): 1%
• g1 (868.0 – 868.6 MHz): 1%
• g2 (868.7 – 869.2 MHz): 0.1%
• g3 (869.4 – 869.65 MHz): 10%
• g4 (869.7 – 870.0 MHz): 1%

Además, la especificación LoRaWAN dicta que para la unión de frecuencias se utilice para redes LoRaWAN-compliant en la activación de dispositivos over-the-air activations (OTAA). En la mayoría de las regiones este duty cycle es del 1%.

Finalmente, comentar que en la red de la comunidad pública de The Things Network, utilizan una Política de acceso justa que limita el tiempo de conexión del enlace ascendente a 30 segundos por día, (cada 24 horas) y por nodo. Y para los mensajes de enlace descendente a 10 mensajes por día, (cada 24 horas) y por nodo. Si utiliza una red privada, estos límites no se aplican, pero aún debe cumplir con los límites gubernamentales y de LoRaWAN.