Explicando LoRaWAN

A principios de la década de 1990, la conexión a Internet comenzó como un camino directo y sencillo. Hoy en día las cosas han avanzado y se han vuelto más complejas pero también más capaces. En lugar de una única conexión Ethernet a Internet, los microcontroladores y otros dispositivos pueden conectarse a través de una larga lista de protocolos: Bluetooth, WiFi, BLE, ZigBee, 3G, 4G, 5G, NFC, RFID, SigFox, DigiMesh, Thread y 6LoWPAN para nombrar algunos. Cada una de estas conexiones desempeña un papel valioso para la conexión de dispositivos y la transmisión de datos, pero un protocolo en ciernes que nos gustaría destacar es LoRaWan .

Al igual que las enumeradas anteriormente, LoRaWAN es una red de conexión inalámbrica para la comunicación de datos a Internet. LoRaWan se distingue rápidamente a medida que se hace conocido y se adapta a IoT (Internet de las cosas) que requieren conectividad a Internet de largo alcance y bajo consumo sin WiFi. LoRaWan es una excelente respuesta para sensores o dispositivos remotos que funcionan con baterías y que se comunican a largas distancias o en lugares remotos. LoRaWan dijo simplemente que los datos de los paquetes se envían, cuando es necesario, a largas distancias hasta la gateway que reenvía dichos paquetes de datos al servidor para su almacenamiento, cálculo o visualización.

Para familiarizarnos más con LoRaWAN, retrocedamos al año 2009, cuando comenzó en Francia LPWAN

• LPWAN es una red de área amplia de telecomunicaciones inalámbricas diseñada para permitir comunicaciones de largo alcance a una velocidad de bits baja para cosas (objetos conectados), como sensores que funcionan con batería con bajos requisitos de energía.
• LPWAN permite la conectividad para redes de dispositivos que requieren menos ancho de banda que el que proporciona el equipo doméstico estándar.
• LPWAN también admiten más dispositivos en un área de cobertura más grande que las tecnologías móviles de consumo y tienen mejores capacidades de bidireccionalidad.
• Redes como WiFi y Bluetooth son más adecuadas para IoT a nivel de consumidor ; sin embargo, LPWAN es más abundante en aplicaciones IoT industriales , cívicas y comerciales.

LPWAN es la red acumulativa que engloba LoRaWAN. Por lo tanto, los dos no son sinónimos, sino dos redes separadas. LPWAN fue primero y luego adoptó varias redes, cada una de las cuales tuvo su formación histórica única. Algunas de estas redes adoptadas incluyen AlarmNet (que luego pasó a ser propiedad de Honeywell), la red 2G y LoRaWAN, que fue creada por un grupo llamado LoRa Alliance en 2014 y se encuentra entre los protocolos líderes y favoritos para dispositivos conectados.

Cómo funciona LoRaWAN:

NOTA : Al final de esta publicación se incluye una lista de términos y definiciones comunes como glosario.

sensores que se conectan a Internet se denominan dispositivos finales . Cada vez que el sensor toma una lectura, el dispositivo envía condicionalmente una señal (paquete de datos) a la gateway para capturar los datos. Ahora, los datos en la gateway utilizan FSK ( Frequency Shift Keying ) para transmitir esos datos de la manera más eficiente posible al servidor mediante un proceso llamado Chirp Spread Spectrum (CSS). A medida que el paquete de datos del dispositivo final ingresa al circuito de la gateway , se presenta en "chirridos" o símbolos que representan información digital (como se muestra a continuación). Luego, el chirrido se analiza hasta el dominio de la frecuencia y luego se modula una señal para un transporte de datos eficiente.

El hardware LoRa, después de convertir la señal de entrada al dominio de la frecuencia, busca dentro de la banda otros canales de frecuencia mejores que puedan transportar la señal. Una vez que la gateway encuentra uno, todo este proceso modula la frecuencia de la señal de entrada para hacerla más eficiente energéticamente y luego "desplaza" (de ahí la "S" en FSK) la señal a ese canal para una transmisión rápida de datos.

Los dispositivos finales y gateway interactúan continuamente entre sí para que la transmisión de datos pueda "saltar" a otros canales de frecuencia que mejor se adapten a las restricciones de potencia, velocidad, ciclo de trabajo y alcance del sistema.

Durante esta modulación de frecuencia, otros circuitos integrados dentro de la gateway LoRa realizan otras modulaciones de "mejora", como filtrar el ruido o la irregularidad que se ve en una señal.

Otra razón por la que LoRaWAN es una red de bajo consumo y largo alcance es gracias a un proceso llamado ADR ( Adaptive Data Rate ). Así como el proceso FSK "cambia" la frecuencia de la señal de entrada para aumentar la eficiencia, ADR "habla" con el servidor de la red LoRaWAN para aumentar la velocidad de datos . Así es como se “conversa” entre el dispositivo y el servidor:

1. Los dispositivos finales (nodos) envían constantemente de enlace ascendente al servidor de red de LoRaWAN. Estos mensajes de enlace ascendente se componen de mucha información sobre las últimas 20 señales del nodo.
2. El servidor de red analiza el historial reciente del nodo y hace comparaciones para ver cuánto “margen” hay para realizar cambios
3. La red puede observar que existe un “margen” para sacrificar el alcance por algo más útil, como una velocidad de datos más rápida. (Observe en el diagrama que el bote de basura envía sus datos a más gateway que cualquiera de los otros dispositivos)
4. En lugar de enviar mensajes más lentos a puertas gateway lejanas, el servidor prefiere que el dispositivo final envíe un mensaje rápido a una gateway cercana.
5. Por lo tanto, el ADR aprovecha oportunidades que aumentarán la velocidad de los datos. Si los sacrificios que se hacen ayudan al sistema a operar de manera más eficiente, entonces el sacrificio se hará mediante ADR.

Después de que la gateway de enlace recibe e interpreta un paquete de datos utilizando la tecnología LoRa, la gateway reenvía los datos al servidor de red a través de conexiones IP estándar, como Ethernet o 3G. Si el servidor de red recibe el mismo paquete de datos de varias gateway , solo procesará una de ellas y descartará las copias. Por lo tanto, si el servidor recibirá tres paquetes de datos iguales porque el bote de basura está conectado a tres gateway en nuestra ilustración, entonces solo se procesará uno de estos paquetes de datos, lo que permitirá una transferencia de datos altamente precisa y eficiente.

Compensaciones

Como en todas las aplicaciones de ingeniería, en el mundo de LoRaWAN existen compensaciones en cuanto a potencia, velocidad y alcance. Este sencillo diagrama a continuación muestra los puntos a considerar.

Aumentar el tiempo del bit de datos ——-> reduce la velocidad de datos ——-> menor velocidad
Disminuir el tiempo del bit de datos ——-> aumenta la velocidad de datos ——-> mayor velocidad
Aumentar el alcance y reducir la potencia ——-> menor velocidad
Aumentar el rango y acelerar la velocidad ——–> requiere mayor potencia
Aumentar la velocidad y reducir la potencia——-> rango más corto

Bandas de frecuencia

LoRaWAN utiliza frecuencias de radio más bajas en un rango más largo y las bandas de frecuencia difieren entre países.

• Europa : bandas 863-870 MHz y 433 MHz (868 MHz utilizada por The Things Network). Todos los dispositivos y redes deben admitir tres canales comunes de 125 kHz para la banda de 868 MHz (868.10, 868.30 y 868.50 MHz).
• EE.UU .: Banda 902-928 MHz, dividida en 8 subbandas. Cada una de estas subbandas tiene ocho canales de enlace ascendente de 125 kHz, un canal de enlace ascendente de 500 kHz y un canal de enlace descendente de 500 kHz. A diferencia de los canales de frecuencia de Europa, los de EE.UU. se clasifican en canales de enlace ascendente y de enlace descendente.
• Australia : banda 915-928 MHz. Las frecuencias de enlace ascendente en Australia son más altas que en la banda estadounidense. Sin embargo, las frecuencias del enlace descendente son las mismas que en la banda estadounidense.
• China : banda de 779-787 MHz, con tres canales comunes de 125 kHz (779,5, 779,7 y 779,9 MHz), y también existe una banda de 470-510 MHz, con 96 canales de subida y 48 canales de bajada.

Clases

LoRaWAN clasifica sus dispositivos finales en tres clases diferentes para abordar las diferentes necesidades reflejadas en la amplia gama de aplicaciones.

Clase A:

• Estos dispositivos admiten comunicación bidireccional entre un dispositivo y una gateway
• categoría de potencia más baja
• Los dispositivos de Clase A funcionan solo en aplicaciones donde envían una transmisión de enlace ascendente y esperan una comunicación de enlace descendente desde el servidor poco después.
• Los mensajes de enlace ascendente se pueden enviar en cualquier momento.
• Después de enviar un mensaje de enlace ascendente, los dispositivos de Clase A abren dos ventanas de recepción en momentos específicos.
• el servidor puede responder en cualquier ventana
• el intervalo de transmisión (intervalo de tiempo) programado para cada ventana por el dispositivo final se basa en sus propias necesidades de comunicación
• Si el servidor no responde en ninguna de estas dos ventanas de recepción, la próxima oportunidad será después de la siguiente transmisión de enlace ascendente.

La primera línea del diagrama es el proceso cronológico del proceso de enlace ascendente/descendente del dispositivo final de clase A. Primero, envía una señal de enlace ascendente, espera y luego abre la primera ventana de recepción; espera nuevamente y luego abre una segunda ventana de recepción. Las siguientes dos líneas demuestran exitosa de una de enlace descendente después de que la ventana de recepción captura las señales de enlace descendente. La última línea demuestra fallida de una señal de enlace descendente porque el dispositivo final no la captura en ninguna de las ventanas de recepción.

Clase B:

• Los dispositivos finales de Clase B son bidireccionales con ranuras de recepción programadas, como la Clase A
• La diferencia: los dispositivos de Clase B abren adicionales en horarios programados además de las ventanas de recepción de Clase A
• A diferencia de los dispositivos de Clase A, que abren sus ventanas de recepción según sus propias necesidades de comunicación, los dispositivos de Clase B reciben una baliza sincronizada con el tiempo desde la gateway , lo que permite al servidor saber cuándo el dispositivo final está "escuchando".

Clase C:

• Los dispositivos de clase C son bidireccionales con ranuras de recepción máximas
• Estos dispositivos tienen casi continuamente ventanas de recepción abiertas, que sólo se cierran durante la transmisión.
• Esto permite una comunicación de baja latencia , pero consume muchas veces más energía que los dispositivos de clase

Activación por aire (OTAA)

Para participar en una red LoRaWAN, cada dispositivo final debe personalizarse y activarse . La funcionalidad de este proceso se resume en estos pasos:

1. Para la activación inalámbrica, los dispositivos finales deben seguir un procedimiento de unión antes de participar en los intercambios de datos con el servidor de red.
2. El procedimiento de unión requiere que el dispositivo final se personalice con la siguiente información antes de iniciar el procedimiento de unión: un identificador de dispositivo final único global ( DevEUI ), el identificador de la aplicación ( AppEUI ) y una clave AES-128 ( AppKey ).
3. El procedimiento de unión consta de dos mensajes MAC (control de acceso a medios) intercambiados con el servidor, a saber, una solicitud de unión y una aceptación de unión .
4. El dispositivo final envía el mensaje de solicitud de unión que consta de AppEUI y DevEUI del dispositivo final seguido del DevNonce.
5. El mensaje de solicitud de unión se puede transmitir utilizando cualquier velocidad de datos y siguiendo una secuencia de salto de frecuencia eficiente a través de los canales de unión especificados.
6. El servidor de red responderá al mensaje de solicitud de unión con un mensaje de aceptación de unión si el dispositivo final tiene permiso para unirse a una red.
7. Después de la activación, la siguiente información se almacena en el dispositivo final: una dirección de dispositivo ( DevAddr ), un identificador de aplicación ( AppEUI ), una clave de sesión de red ( NwkSKey ) y una clave de sesión de aplicación ( AppSKey ).

Si el paso 7 tiene éxito, se logra OTAA.

Activación por Personalización (ABP)

En determinadas circunstancias, los dispositivos finales se pueden activar mediante personalización. La activación mediante personalización vincula directamente un dispositivo final a una red específica, sin pasar por el procedimiento de solicitud de incorporación y aceptación de incorporación. Entonces, a diferencia de OTAA, DevAddr y las dos claves de sesión NwkSKey y AppSKey se almacenan directamente en el dispositivo final en lugar de DevEUI, AppEUI y AppKey. Simplemente, el dispositivo final ya está equipado con la información necesaria para participar en una red LoRa específica cuando se inicia.

La ventaja de ABP es que es fácil conectarse a la red porque el dispositivo puede ponerse operativo en poco tiempo, lo cual es muy adecuado para determinadas aplicaciones. La desventaja es que las claves de cifrado que permiten la comunicación con la red están preconfiguradas en el dispositivo, lo que debilita la seguridad.

Conclusión

Para resumir, los puntos clave de LoRaWan :

• LoRaWAN cubre largas distancias, lo que lo hace ideal para soluciones tanto urbanas como rurales.
• LoRaWAN consume menos energía, lo que hace que la tecnología sea ideal para dispositivos que funcionan con baterías.
• LoRaWAN proporciona comunicación de bajo ancho de banda, lo que la convierte en la solución ideal para implementaciones prácticas IoT que requieren menos datos.
• Costos de implementación relativamente bajos en comparación con dispositivos móviles o WiFi debido a la menor cantidad de dispositivos Gateway necesarios
• LoRaWAN admite comunicación bidireccional
• Una sola Gateway LoRaWAN puede acomodar miles de dispositivos o nodos, múltiples Gateway brindan resiliencia a soluciones inteligentes

Glosario de términos

Consulte esta sección para obtener definiciones de términos técnicos que le ayudarán a comprender LoRaWAN. Para su comodidad, estas palabras aparecerán en negrita en el tutorial cuando se utilicen.

Velocidad de datos adaptativa (ADR) : mecanismo para optimizar las velocidades de datos, el tiempo aire y el consumo de energía en la red.

AppEUI : es una ID de aplicación global que aborda el espacio e identifica de forma única al proveedor de la aplicación (propietario) del dispositivo final.

AppKey : una clave de aplicación AES-128 específica para el dispositivo final asignada por el propietario de la aplicación. La AppKey se utiliza para derivar las claves de sesión NwkSKey y AppSKey específicas de ese dispositivo final para cifrar y verificar la comunicación de red y los datos de la aplicación.

AppSKey : lo utilizan tanto el servidor de red como el dispositivo final para cifrar y descifrar el campo de carga útil de los mensajes de datos específicos de la aplicación.

Banda : un rango de frecuencias con una frecuencia mínima y una frecuencia máxima específicas.

Ancho de banda : mide la cantidad de datos que se pueden enviar a través de una conexión específica en un período de tiempo determinado (sinónimo de velocidad de datos)

Chirp Spread Spectrum : un tipo de tecnología de modulación que es responsable de la confiabilidad de la transmisión así como del bajo consumo de energía.

Nube : una plataforma diseñada para almacenar y procesar IoT . La plataforma está diseñada para procesar volúmenes masivos de datos generados por dispositivos, sensores, sitios web, aplicaciones, clientes y socios e iniciar acciones para respuestas en tiempo real.

Tasa de datos : la cantidad de datos digitales que se mueven de un lugar a otro en un tiempo determinado; Puede verse como la velocidad de viaje de una determinada cantidad de datos de un lugar a otro, en función del ancho de banda.

DevAddr : contiene un identificador de red (NwkID) para separar direcciones de redes territorialmente superpuestas de diferentes operadores de red y para solucionar problemas de roaming. También contiene una dirección de red (NwkAddr) del dispositivo final.

DevEUI : un espacio de direcciones de ID de dispositivo final global que identifica de forma única el dispositivo final

DevNonce : un valor aleatorio asociado con un dispositivo final. Si un dispositivo final intenta conectarse al servidor con un valor DevNonce que ya ha utilizado anteriormente, el servidor ignorará la solicitud, evitando una catástrofe del sistema conocida como ataques de reproducción.

Enlace descendente : el enlace (conexión) de un satélite a una estación terrestre. La frecuencia de las señales de enlace descendente tiende a ser más amplia para cubrir una gran área de la Tierra y proporcionar tantos servicios como sea posible.

Ciclo de trabajo : el porcentaje de la relación entre la duración del pulso o ancho del pulso (PW) y el período total (T) de la forma de onda. Ciclo de trabajo = PW/T * 100%

Aquí hay un diagrama para ayudarlo a visualizar mejor qué es un ciclo de trabajo:

Dispositivo final/Nodo/Punto final : un dispositivo de hardware informático con capacidad para Internet. El término puede referirse a computadoras de escritorio, portátiles, teléfonos inteligentes, tabletas, clientes ligeros, impresoras o, literalmente, cualquier objeto que pueda conectarse a Internet.

Canal de frecuencia : cuando una banda está canalizada, significa que hay frecuencias discretas específicas que un dispositivo (como una radio) utilizará y transmitirá datos. En lugar de elegir arbitrariamente frecuencias aleatorias para usar dentro de la banda, un dispositivo o red se atendrá a un cierto tamaño de paso para aumentar la eficiencia y evitar desperdiciar espacios entre diferentes frecuencias. Por ejemplo, para una banda de 28-29 MHz, 3 canales diferentes de 100 KHz podrían ser 28,1 MHz, 28,2 MHz, 28,3 MHz, etc.

Front-end : los usuarios (como un ser humano o un programa) interactúan con la aplicación directamente

LoRa : una tecnología patentada de modulación de radio de espectro ensanchado (CSS) para LPWAN utilizada por LoRaWAN. LoRa es la capa física, LoRaWAN es la red

LoRaWAN (red de área amplia de largo alcance): un protocolo de capa de control de acceso a medios (MAC) para gestionar la comunicación entre gateway y dispositivos de nodo final, mantenido por LoRa Alliance

LPWAN (Red de área amplia de bajo consumo): una tecnología de red inalámbrica de área amplia especializada en interconectar dispositivos con conectividad de bajo ancho de banda, centrándose en el alcance y la eficiencia energética.

NwkSKey : lo utilizan tanto el servidor de red como el dispositivo final para calcular y verificar el MIC (código de integridad del mensaje) de todos los mensajes de datos para garantizar la integridad de los datos.

Rendimiento : una medida de cuántas unidades de información puede procesar un sistema en un período de tiempo determinado.

Enlace ascendente : el enlace (conexión) desde una estación terrestre hasta un satélite. En IoT , las señales deben cruzar la atmósfera donde la atenuación es inevitable (por ejemplo, debido a la lluvia). Para evitar la mayor atenuación posible, las estaciones en la Tierra aumentan sus señales de enlace ascendente con más potencia para que la frecuencia sea más estrecha (para que la señal pueda "pasar" a través de obstrucciones en el entorno). Por lo tanto, las señales de enlace ascendente generalmente tienen frecuencias más altas que las señales de enlace descendente.