LoRaWAN

LoRaWAN es un protocolo de red de capa de enlace, que usa la tecnología de radio LoRa para comunicar y administrar dispositivos 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 and Symphony Link.

  • Symphony Link is for industrial and enterprise users who need advanced features. LoRaWAN is for mobile networks based on LoRaWAN, primarily in Europe.
  • 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.

En este artículo intentaremos profundizar en:

  • Cómo construir redes públicas con LoRa
  • Cómo funciona LoRaWAN
  • Clases A, B, and C en LoRaWAN
  • Chirp rate, processing gain, and orthogonality
  • Downlink and uplink capabilities
  • Limitaciones del Duty cycle

Arquitectura de las redes LoRaWAN

Estructura de red LoRaWAN

En una red LoRaWAN clásica, los dispositivos finales denominados nodos se conectan a gateways y estos envían todo a un servidor, que por medio de una API entrega los datos a una aplicación final para el usuario.

Arquitectura LoRaWAN

Podemos distinguir por tanto los siguientes elementos:

  • 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.

Típicamente los nodos se construyen 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.

Nodo LoRaWAN

Fig. Ejemplo de nodo LoRaWAN

Los nodos envían o reciben datos hacia o desde las puertas de enlace o gateways, hacia o desde Internet.

Pueden alcanzar varios años de vida con una pequeña batería si se ponen en modo de suspensión profunda para optimizar el consumo de energía. 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 los dispositivos finales:

  • 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 envíar 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 de 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 cierran 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 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.
  • Gateway outdoor, de uso al aire libre, como por ejemplo Kerlink IoT Station o el LoRiX One que distribuye AlfaIoT.

Lorix One

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.

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, monitoree 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.

The Things Network

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 interactúa 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?

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 video.
Tracking de vehículos, animales o personas.
Redes privadas que no requieren conectarse a servicios en la nube o donde no hay cobertura celular.

Limitaciones del 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%.

Maximum Duty Cycle

El duty cycle de los dispositivos de radio está regulado por normativas gubernamentales. 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.

LoRa

En este artículo intentaremos explicar de forma sencilla que son la tecnología, y las redes LoRa.

En los últimos años se está oyendo hablar mucho de las redes LPWAN (Low-Power Wide Area Network) o redes de bajo consumo y área extensa. LoRa es una de las tecnologías LPWAN y cuenta con grandes ventajas para proyectos de Internet de las Cosas o IoT (Internet of Things), con dispositivos alimentados por baterías.

Pero, ¿qué es LoRa?

LoRa es una tecnología inalámbrica al igual que WiFi, Bluetooth, LTE, SigFox o Zigbee. LoRa utiliza un tipo de modulación en radiofrecuencia, como la AM o la FM o el PSK; pero patentado por Semtech una importante empresa fabricante de chips de radio.

Esta tecnología de modulación se llama Chirp Spread Spectrum, o CSS, y se usa en comunicaciones militares y espaciales desde hace décadas. La gran ventaja de la misma es que puede lograr comunicaciones a largas distancias (típicamente kilómetros) y tiene gran solidez frente a las interferencias.

 

Chirp Spread Spectrum

Fig. Espectro de la modulación LoRa

La tecnología LoRa fue originalmente desarrollada por Semtech, pero actualmente está administrada por la “LoRa Alliance”. De este modo, cualquier fabricante de hardware que desee trabajar con esta tecnología debe estar certificado por la alianza.

Ventajas de LoRa

Entre las principales ventajas de LoRa se encuentran las siguientes:

  • Alta tolerancia a las interferencias
  • Alta sensibilidad para recibir datos (-168dB)
  • Basado en modulación “chirp
  • Bajo Consumo (hasta 10 años con una batería*)
  • Largo alcance 10 a 20km
  • Baja transferencia de datos (hasta 255 bytes)
  • Conexión punto a punto
  • Frecuencias de trabajo:  868 Mhz en Europa, 915 Mhz en América, y 433 Mhz en Asia

Todo esto hace que ésta sea una tecnología ideal para conexiones a grandes distancias y para redes de IoT en las que se necesiten sensores que no dispongan de corriente eléctrica de red. Por ello, tiene grandes posibilidades de aplicación para Smart Cities o ciudades inteligentes, lugares con poca cobertura celular cómo por ejemplo aplicaciones agrícolas o ganaderas en el campo, o para construir redes privadas de sensores y/o actuadores.

Casos de uso LoRaWAN

Fig. Casos de uso

Banda ISM

Lora utiliza el espectro sin licencia como parte de la banda de radio ISM (Industrial, Científica y Médica).

En toda Europa, se utiliza un plan de frecuencias sin licencia en torno a los 868Mhz, mientras que en Estados Unidos es 915Mhz y en Asia 433Mhz.

Banda de frecuencias LoRa

Fig. Tabla de frecuencias por regiones

El uso de una banda sin licencia del espectro radioeléctrico, hace que sea fácil para cualquiera configurar su propia red y hacer uso de ella.

Para utilizar la tecnología LoRa con el fin de comunicar dispositivos de IoT, existen dos alternativas:

  1. Crear una red propia.
    Será necesario comprar los chips LoRa y desarrollar unos gateways y nodos propios. Como ventaja, el usuario podrá ajustar y adaptar dicha red a sus necesidades, aunque deberá encargarse del mantenimiento de la misma.
  2. Usar un operador de red.
    Actualmente, varios operadores están empezando a ofrecer redes LoRaWAN en ciertas áreas, como es el caso de Orange. De este modo, pueden contratarse planes de conectividad con estas compañías evitando así el mantenimiento de la red. Esta opción tiene como desventaja que el operador puede dejar de ofertar este servicio.

Muchos operadores de telecomunicaciones han comenzado a adoptar LoRaWAN y están brindando conectividad junto con los servicios de telefonía en muchos países alrededor del mundo, si bien en España para nada es este el caso.

Pero una única tecnología no puede resolverlo todo y en muchos casos hay concesiones que hay que asumir.

LoRa cumple con la necesidad de dispositivos a batería de bajo costo que necesiten enviar datos a larga distancia; pero no sirve para enviar datos con gran ancho de banda.

Aplicaciones de LoRa

Gracias a su largo alcance y bajo consumo, LoRa permite gran cantidad de aplicaciones. Cómo es una tecnología muy económica y fácil de implementar, tanto la comunidad maker como los profesionales, la están adoptando en muchos proyectos.

Un ejemplo sencillo y fácil de construir es un tracker o rastreador GPS que utiliza shields LoRa y Arduino, bastante bien documentado en el siguiente enlace de Instructables.

Otro ejemplo muy interesante es el siguiente vídeo de Youtube en el que construyen un nodo de bajo coste:

Comparativa SigFox vs LoRa

Anteriormente mencionamos SigFox. SigFox es también una tecnología inalámbrica para IoT. Aunque ambas tecnologías se posicionan de manera similar en el mercado de IoT, tienen importantes diferencias entre sí.

sigfox

Fig. El logotipo de SigFox

Sigfox es cómo LoRa una tecnología LPWAN. Ambas utilizan señales de gran alcance que pasan libremente a través de objetos sólidos  y que requieren poca energía.

Estas características hacen que ambas pueda cubrir fácilmente áreas grandes y también alcanzar objetos subterráneos.

Sigfox admite hasta 140 mensajes de 12 bytes máximo cada uno, de enlace ascendente por día, y hasta 4 mensajes de enlace descendente de 8 bytes diarios.

Para comenzar a integrar SigFox, además de adquirir un módulo de radio compatible hay que contratar un plan de suscripción para cada dispositivo (a partir de 1$ al año).

Si bien SigFox aspira a convertirse en un operador global de IoT, la LoRa Alliance desea proporcionar una tecnología que permita a otras empresas habilitar un IoT global. A diferencia de SigFox, la LoRa-Alliance no desea posicionarse como un proveedor de red. Su objetivo es desarrollar un estándar y vender chips. Esto significa que no hay un único monopolio en la red LoRa como pasa con SigFox.

En Europa, ambas utilizan la misma banda de frecuencias y logran alcances similares; pero difieren en otros aspectos…

Comunicación

A diferencia de SigFox, los módulos LoRa estándar pueden operar de forma bidireccional. Así, utilizando el mismo módulo de radio, un receptor puede transformarse en transmisor en cualquier momento dado y viceversa. Por lo tanto, LoRa es más adecuado para situaciones en las que sea necesario actuar sobre un determinado sistema.

Integración de datos

En lo que respecta a la integración de los datos, SigFox ofrece una API muy simple. En cambio, LoRa ofrece una API de bajo nivel altamente configurable, que posibilita diferentes optimizaciones. Por lo tanto, la integración del módulo de radio LoRa es más complicada que SigFox, pero mucho más configurable.

Tamaño de los mensajes

Los mensajes de SigFox están limitados por diseño a 12 bytes. Para cumplir las regulaciones, en LoRa los mensajes no deben durar más de cinco 5 segundos en el aire.

Seguridad

Ambas tecnologías ofrecen funciones de seguridad. Sin embargo, solo SigFox es capaz de identificar y autenticar los dispositivos. Por otro lado, ninguna de las dos tecnologías ofrece comunicaciones encriptadas.


En la próxima entrada explicaremos que es LoRaWAN, ya que LoRa y LoRaWAN no son lo mismo.

Veremos cómo la utilización de LoRaWAN  nos dará grandes ventajas

En nuestra tienda online disponemos ya de varios módulos para los que quieran empezar a probar las bondades de esta fantástica tecnología.

El pasado jueves 19 de abril de 2018 fue un gran día para toda la comunidad salmantina. Sin hacer mucho ruido, hemos conseguido establecer, junto con la ayuda de amigos y entusiastas, una red IoT, de Internet de las Cosas, específicamente diseñada para la comunicación entre dispositivos.

Esta red está desde ya disponible en Salamanca capital y algunas localidades del alfoz como Cabrerizos y Santa Marta de Tormes.

Este paso permite, tanto a alfaIoT como a otras empresas ofrecer una serie inimaginable de servicios. Esta red podrá ser utilizada tanto por ciudadanos como por otras empresas o entidades locales, al tratarse de una red abierta. Del mismo modo, va a abrir nuevos horizontes de investigación y generar una base de conocimiento para que toda las personas que lo deseen puedan disfrutar de una red segura, estable y de calidad para sus objetos conectados.

The Things Network Salamanca
Comunidad TTN en Salamanca

Desde alfaIoT pensamos que es importante que una ciudad como Salamanca, posea estas capacidades de comunicación. Es por ello que, junto con diversos colaboradores hemos puesto nuestros recursos de manera altruista a disposición de la ciudadanía, consiguiendo en este momento contar con cuatro gateways que aseguran la cobertura.

Red IoT LoRaWAN

La red desplegada se basa en el estándar de comunicaciones LoRaWANAlfaIoT ya utiliza esta tecnología en muchos sus productos y desarrollos.

Se ha elegido un modelo comunitario de despliegue, a través del modelo de infraestructura que mantiene a nivel mundial The Things Network. Esto permite una red totalmente segura y abierta. Los usuarios pueden mandar con un cifrado punto a punto sus datos y almacenarlos únicamente en sus dispositivos, asegurando que la permanencia en la red no se prolonga más de lo estrictamente necesario.

Como nos parece importante que la sociedad salmantina tenga las mejores herramientas para acometer la transformación a una industria digital (Industria 4.0 como también se le conoce). Estableceremos diversos talleres en los que, de una manera práctica, enseñaremos el potencial que tiene esta red de comunicaciones, y enseñaremos a los curiosos a hacer dispositivos que lo aprovechen. Estos talleres se realizarán en colaboración con la asociación cultural La Caja Maker Space Salamanca que nos cederán sus instalaciones para realizarlos. Os iremos informando y esperamos veros pronto.

¡Un saludo!