La comunicación es una de las partes más importantes de cualquier proyecto de Internet de las Cosas (IoT). La capacidad de un objeto para interactuar con otros «objetos» (la nube/servidor del dispositivo) es lo que da a los «objetos» el derecho a vincular «Internet» a su nombre. Aunque existen muchos protocolos de comunicación, a cada uno le falta algo, lo que los hace «no completamente adecuados» para las aplicaciones de IoT. Los principales problemas son el consumo de energía, el alcance/cobertura y el ancho de banda.
Introducción a LoRa y LoRaWAN
La mayoría de las comunicaciones por radio, como Zigbee, BLE, Wi-Fi y otras, tienen un alcance reducido, mientras que otras, como 3G y LTE, consumen mucha energía y su alcance no está garantizado, especialmente en países en desarrollo. Si bien estos protocolos y modos de comunicación funcionan para determinados proyectos, imponen importantes limitaciones, por ejemplo: dificultades para implementar soluciones de IoT en regiones sin cobertura de telefonía móvil (GPRS, EDGE, 3G, LTE/4G) y una reducción drástica de la duración de la batería de los dispositivos.
Por lo tanto, anticipando el futuro del IoT y la conexión de todo tipo de «objetos» ubicados en lugares muy diversos, surgió la necesidad de una tecnología de comunicación específicamente diseñada para el IoT que cumpliera con sus requisitos de muy baja potencia y alcance significativamente mayor, económica, segura y fácil de implementar. Y aquí es donde entra en juego la tecnología LoRa.
LoRa (Long Range)
LoRa (que significa Long Range) es una tecnología de comunicación inalámbrica patentada que combina un consumo de energía extremadamente bajo con un alcance efectivo a larga distancia. Si bien el alcance depende mucho del entorno y los posibles obstáculos (LOS o N-LOS), LoRa suele tener un alcance de 13 a 15 km, lo que significa que una única puerta de enlace LoRa puede cubrir toda una ciudad, y unas pocas decenas más, un país entero. La tecnología fue desarrollada por Cycleo en Francia y se destacó cuando la compañía fue adquirida por Semtech en 2012.
Características de la tecnología LoRa
Una estación de radio LoRa tiene varias funciones que la ayudan a proporcionar una potencia eficiente a larga distancia y un bajo costo. Algunas de estas funciones incluyen:
- Técnica de modulación.
- Frecuencia.
- Velocidad de datos adaptable.
- Niveles de potencia adaptativos.
Modulación
Las estaciones de radio Lora utilizan un método de modulación por expansión de espectro de modulación de frecuencia para lograr un alcance de comunicación mucho mayor manteniendo las características de baja potencia que son similares a las estaciones de radio basadas en modulación FSK de nivel físico. Si bien la modulación por expansión de espectro de LFM se ha utilizado durante mucho tiempo en las comunicaciones militares y espaciales, LoRa representa la primera aplicación comercial asequible de este método de modulación.
Frecuencia
Aunque la tecnología LoRa no depende de la frecuencia, la comunicación entre las estaciones de radio LoRa se realiza utilizando bandas de radiofrecuencia subgigahercios no licenciadas disponibles en todo el mundo. Estas frecuencias varían de una región a otra y también suelen ser diferentes en diferentes países. Por ejemplo, la frecuencia de 868 MHz se utiliza normalmente para la comunicación LoRa en Europa, mientras que la frecuencia de 915 MHz se utiliza en Norteamérica. Independientemente de la frecuencia, LoRa se puede utilizar sin ningún cambio importante en la tecnología.
El uso de frecuencias más bajas que las de otros módulos de comunicación, como Wi-Fi, basados en los rangos ISM de 2,4 o 5,8 GHz, proporciona a la tecnología LoRa un área de cobertura mucho mayor, especialmente en situaciones NLOS (sin línea de visión).
Es importante tener en cuenta que algunos países aún requieren permisos para el uso de rangos no licenciados.
Velocidad de datos adaptable
LoRa utiliza una combinación de ancho de banda variable y factores de expansión (SF7-SF12) para adaptar la velocidad de datos en un compromiso con el alcance de la transmisión. Un factor de expansión más alto proporciona un mayor alcance a costa de una velocidad de datos más baja, y viceversa. Se puede elegir una combinación de ancho de banda y factor de expansión de acuerdo con las condiciones del canal y el nivel de datos transmitidos. Por lo tanto, un factor de expansión más alto mejora el rendimiento y la sensibilidad de la transmisión para un ancho de banda dado, pero también aumenta el tiempo de transmisión como resultado de velocidades de datos más bajas. Pueden variar desde 18 bps hasta 40 kbps.
Nivel de potencia adaptativo
El nivel de potencia utilizado por las estaciones de radio LoRa es adaptativo. Depende de factores como la velocidad de datos y las condiciones de la conexión, entre otros. Cuando se requiere una transmisión rápida, la potencia transmitida se acerca a la máxima y viceversa. De esta manera, se aumenta la duración de la batería y se mantiene el ancho de banda de la red. El consumo de energía también depende de la clase de dispositivos y de una serie de otros factores.
LoRaWAN
LoRaWAN es un estándar de red global abierta de bajo consumo (LPWAN) de alta capacidad y largo alcance, desarrollado por LoRa Alliance para soluciones de IoT basadas en LoRa. Es un protocolo bidireccional que aprovecha al máximo las capacidades de la tecnología LoRa para proporcionar servicios que incluyen entrega confiable de mensajes, seguridad de extremo a extremo, determinación de la ubicación y capacidades de multidifusión. El estándar garantiza la compatibilidad de diversas redes LoRaWAN en todo el mundo.
Para comprender mejor la diferencia entre LoRa y LoRaWAN, es conveniente observarlas desde la perspectiva del modelo de pila de referencia OSI.
En pocas palabras, según el modelo de pila OSI, LoRaWAN corresponde al protocolo de acceso al medio de transmisión para la red de comunicación (es decir, la capa MAC), mientras que LoRa corresponde a la capa física. Por lo tanto, LoRaWAN define el protocolo de comunicación y la arquitectura del sistema de red, mientras que la arquitectura LoRa proporciona el canal de comunicación de largo alcance. Y sus capacidades se combinaron para proporcionar la funcionalidad que determina el tiempo de actividad del nodo, el ancho de banda de la red, la calidad del servicio, la seguridad y otras aplicaciones atendidas por la red. Si bien LoRaWAN es la capa MAC más popular para LoRa, existen otras capas propietarias también construidas sobre la tecnología LoRa. Un buen ejemplo es Symphony link de Link Labs, específicamente diseñado para aplicaciones industriales.
Arquitectura de red LoRaWAN
A diferencia de la topología de red en malla (Mesh) adoptada en la mayoría de las redes de comunicación modernas, LoRaWAN utiliza una arquitectura de red en estrella. Por lo tanto, en lugar de que cada dispositivo final esté casi siempre encendido, repitiendo la transmisión de otros dispositivos para aumentar el alcance, los dispositivos finales en la red LoRaWAN se comunican directamente con las puertas de enlace y solo se encienden cuando necesitan comunicarse con la puerta de enlace, ya que el alcance no es un problema en este caso. Este es un factor que contribuye al bajo consumo de energía y al largo tiempo de funcionamiento de los dispositivos finales LoRa.
La arquitectura de red LoRaWAN consta de cuatro partes principales:
- Dispositivos finales
- Puertas de enlace
- Servidor de red
- Servidor de aplicaciones
- Dispositivos Finales
Son sensores o actuadores en el límite de la red. Estos dispositivos finales dan servicio a diferentes aplicaciones y presentan diferentes requisitos. Para optimizar los diversos perfiles de aplicaciones finales, LoRaWAN™ utiliza tres clases diferentes de dispositivos:
Los tres tipos de dispositivos son:
- Dispositivos finales bidireccionales (Clase A)
- Dispositivos finales bidireccionales con ranuras de recepción programadas (Clase B)
- Dispositivos finales bidireccionales con la máxima cantidad de ranuras de recepción (Clase C).
- Dispositivos finales bidireccionales (Clase A): Estos dispositivos solo necesitan comunicación descendente con el servidor inmediatamente después de una transmisión ascendente. Por ejemplo, dispositivos que necesitan recibir una confirmación de entrega del mensaje desde el servidor después de una transmisión ascendente. Para esta clase de dispositivos, deben esperar a enviar el canal ascendente al servidor antes de poder recibir cualquier canal descendente. Como resultado, la comunicación se mantiene al mínimo, y por lo tanto tienen el menor consumo de energía y el máximo tiempo de funcionamiento. Un buen ejemplo de dispositivos de Clase A es un contador de energía inteligente basado en LoRa.
- Dispositivos finales bidireccionales con ranuras de recepción programadas (Clase B): A estos dispositivos se les asignan ventanas adicionales de comunicación descendente a intervalos programados, además de la comunicación descendente recibida al enviar la comunicación ascendente (Clase A + comunicación descendente adicional programada). El carácter programado de esta comunicación descendente garantiza que el dispositivo siga funcionando con bajo consumo de energía, ya que la comunicación solo está activa en los intervalos programados. Sin embargo, la energía adicional consumida durante la sesión de comunicación descendente programada aumenta el consumo de energía en comparación con los dispositivos de Clase A, por lo que su batería se agota más rápido y su vida útil es menor en comparación con los dispositivos finales de Clase A.
- Dispositivos finales bidireccionales con la máxima cantidad de ranuras de recepción (Clase C): Los dispositivos de esta clase no tienen restricciones en la comunicación descendente. Están diseñados para estar casi siempre abiertos a la comunicación con el servidor. Consumen más energía que las otras clases y tienen la vida útil de la batería más corta. Buenos ejemplos de dispositivos de Clase C son los dispositivos finales utilizados para la gestión de flotas o el monitoreo del tráfico en tiempo real.
- Puertas de Enlace (o Concentradores)
Las puertas de enlace, también conocidas como concentradores, son dispositivos conectados al servidor de red a través de conexiones IP estándar. Transmiten mensajes entre la parte del servidor del servidor de red central y los dispositivos finales utilizando un protocolo de comunicación inalámbrica de un solo salto. Están diseñadas para soportar comunicación bidireccional y cuentan con una función de multidifusión que permite al software enviar mensajes de difusión, como actualizaciones inalámbricas.
Cada puerta de enlace LoRa se basa en un demodulador LoRa multicanal capaz de decodificar en paralelo todas las variantes de modulación LoRa en varias frecuencias.
Para un operador de una red a gran escala, los factores clave distintivos deben ser las características de la comunicación por radio (sensibilidad, potencia de transmisión), la conexión del chip SX1301 a la MCU de la puerta de enlace (USB-SPI o SPI-SPI), así como el soporte y la distribución de la señal PPS, cuya disponibilidad proporciona una sincronización de tiempo precisa en todo el conjunto de puertas de enlace de la red.
LoRa distribuye la comunicación entre los dispositivos finales y las puertas de enlace a través de varios canales de frecuencia y velocidades de datos. La tecnología de expansión de espectro utiliza velocidades de datos en el rango de 0,3 kbps a 50 kbps para evitar interferencias entre sí y crear un conjunto de canales «virtuales» que aumentan el ancho de banda de la puerta de enlace.
Para maximizar la duración de la batería de los dispositivos finales y la capacidad general de la red, el servidor de red LoRa gestiona la velocidad de datos y la salida de radiofrecuencia para cada dispositivo final individualmente mediante un esquema de velocidad de datos adaptable (ADR).
- Servidor de Red
El servidor de red LoRa es la interfaz entre el servidor de aplicaciones y las puertas de enlace. Transmite comandos desde el servidor de aplicaciones a la puerta de enlace, y simultáneamente datos desde las puertas de enlace al servidor de aplicaciones. Realiza funciones como asegurar la ausencia de paquetes duplicados, programar confirmaciones y gestionar la velocidad de datos y la salida de radiofrecuencia para cada dispositivo final individualmente utilizando un esquema de velocidad de datos adaptable (ADR).
- Servidor de Aplicaciones
El servidor de aplicaciones determina para qué se utilizan los datos de los dispositivos finales. La visualización de datos, etc., se realiza en este servidor.
Seguridad y Privacidad de LoRaWAN
La importancia de la seguridad y la privacidad en cualquier solución de IoT no puede subestimarse. El protocolo LoRaWAN incorpora encriptación para garantizar la seguridad de los datos y utiliza las siguientes tecnologías de seguridad:
- Claves AES128 para cada dispositivo.
- Regeneración/anulación instantánea de claves de dispositivo.
- Cifrado de la carga útil de cada paquete para asegurar la confidencialidad de los datos.
- Protección contra ataques de repetición.
- Protección contra ataques de «man-in-the-middle».
LoRa utiliza dos claves: las claves de sesión de red y de aplicación proporcionan una comunicación encriptada separada para la administración de la red y la comunicación de las aplicaciones. La clave de sesión de red, común al dispositivo y a la red, es responsable de la autenticación de los datos del nodo final, mientras que la clave de sesión de aplicación, común a la aplicación y al nodo final, es responsable de garantizar la confidencialidad de los datos del dispositivo.
Características Principales de LoRa
- Presupuesto de la línea de comunicación > 160 dB
- Potencia de transmisión +20 dBm
- IIP3 excepcional
- Mejora de la selectividad en 10 dB en comparación con FSK
- Resistencia a las interferencias de paquetes intracanal
- Corriente de recepción más baja: 10 mA
- Corriente de reposo más baja
- Despertar ultrarrápido (del modo de suspensión a RX/TX)
Ventajas de LoRa
- Gran alcance y cobertura: El alcance de línea de visión de hasta 15 km no se puede comparar con el alcance de ningún otro protocolo de comunicación.
- Bajo consumo de energía: LoRa ofrece estaciones de radio de consumo de energía extremadamente bajo, lo que las hace ideales para dispositivos que requieren una duración de 10 años o más con una sola carga de batería.
- Bajo costo del equipo: La infraestructura para LoRaWAN es extremadamente económica en comparación con otras redes, y el costo de los módulos de radio para los dispositivos finales es igualmente bajo. Además, se están desarrollando varias versiones de infraestructuras de código abierto, como las puertas de enlace, lo que ayuda a reducir aún más los costos.
- Alta capacidad: Se pueden conectar miles de dispositivos finales a una sola puerta de enlace LoRa.
Desventajas de LoRa
Con una velocidad de datos máxima de alrededor de 50 kbps, LoRa tiene la velocidad de datos más baja en comparación con la mayoría de las otras tecnologías, lo que la hace no ideal para ciertas aplicaciones donde se requieren altas velocidades de datos.
Aplicaciones de LoRa
La aplicación de LoRa solo está limitada por la imaginación. Se ha convertido en uno de los principales impulsores del desarrollo de ciudades inteligentes en países de todo el mundo: ya se ha implementado una red LoRa a escala de toda la ciudad en varias ciudades. Las aplicaciones de LoRaWAN son aplicables a todo tipo de soluciones de IoT.
Semtech anunció recientemente el lanzamiento de nuevos productos que reducirán el nivel actual de consumo de energía en un 50%, y también declaró que está estudiando la posibilidad de asociarse con Imprint Energy, que fabrica baterías flexibles ultradelgadas. Creo que con baterías ultradelgadas que pueden caber prácticamente en cualquier cosa y alimentar dispositivos con un alcance de más de 13 km, se lograrían los objetivos de crear un mundo completamente conectado.
