Explicando LoRaWAN

A principios de la década de 1990, la conexión a internet comenzó siendo una ruta directa y sencilla. 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 mediante una larga lista de protocolos: Bluetooth, Wi-Fi, BLE, ZigBee, 3G, 4G, 5G, NFC, RFID, SigFox, DigiMesh, Thread y 6LoWPAN, por nombrar algunos. Cada una de estas conexiones desempeña un papel valioso para la conexión de dispositivos y la transmisión de datos, pero un protocolo emergente que nos gustaría destacar es LoRaWan .

Al igual que las mencionadas anteriormente, LoRaWAN es una red de conexión inalámbrica para la comunicación de datos a internet. LoRaWAN se ha distinguido rápidamente a medida que se ha popularizado y adaptado a aplicaciones IoT conectividad a internet de largo alcance y bajo consumo sin wifi. gateway más cercana y disponible, que los reenvía al servidor para su almacenamiento, cálculo o visualización.

Para familiarizarnos más con LoRaWAN, volvamos a 2009, cuando el precursor de LoRaWAN llamado LPWAN comenzó en Francia:

• LPWAN es una red de telecomunicaciones inalámbrica de área amplia diseñada para permitir comunicaciones de largo alcance a una baja tasa de bits para cosas (objetos conectados), como sensores que funcionan con batería y 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 a LoRaWAN. Por lo tanto, no son sinónimos, sino dos redes independientes. LPWAN surgió primero y posteriormente adoptó varias redes, cada una con su propia historia. Algunas de estas redes adoptadas incluyen AlarmNet (posteriormente adquirida por Honeywell), la red 2G y LoRaWAN, creada por la alianza LoRa en 2014 y uno de los protocolos líderes y preferidos para dispositivos conectados.

Cómo funciona LoRaWAN:

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

Usando la infografía anterior, los 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) que la puerta gateway captura para capturar los datos. Ahora, esos datos en la gateway utilizan FSK ( modulación por desplazamiento de frecuencia ) para transmitirlos 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 , llega en "chirps", o símbolos que representan información digital (como se muestra a continuación). El chirp se analiza luego al dominio de la frecuencia y luego una señal modulada para un transporte de datos eficiente.

El hardware LoRa, tras convertir la señal de entrada al dominio de frecuencia, busca dentro de la banda otros canales de mejor calidad que puedan transportar la señal. Una vez que la gateway encuentra uno, este proceso modula la frecuencia de la señal de entrada para aumentar su eficiencia energética y luego la "desplaza" (de ahí la "S" en FSK) a ese canal para una transmisión de datos más rápida.

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 las irregularidades que se ven en una señal.

Otra razón por la que LoRaWAN es una red de bajo consumo y largo alcance se debe a un proceso llamado ADR ( velocidad de datos adaptativa ). Al igual que el proceso FSK "cambia" la frecuencia de la señal de entrada para aumentar la eficiencia, ADR "se comunica" con el servidor de red LoRaWAN para aumentar la velocidad de datos . Así es como se comunican 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 contienen gran cantidad de 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 podría observar que existe un margen para sacrificar alcance a cambio de algo más útil, como una mayor velocidad de datos. (Observe en el diagrama que el contenedor de basura envía sus datos a más gatewayde enlace que cualquier otro dispositivo)
4. En lugar de enviar mensajes más lentos a gatewaylejanas, el servidor preferiría que el dispositivo final envíe un mensaje rápido a una gateway cercana.
5. Por lo tanto, el ADR aprovecha las oportunidades que aumentan la velocidad de datos. Si los sacrificios realizados contribuyen a que el sistema funcione con mayor eficiencia, se realizarán mediante ADR.

Tras recibir e interpretar un paquete de datos mediante tecnología LoRa, la gateway gatewaylos datos al servidor de red mediante conexiones IP estándar, como Ethernet o 3G. Si el servidor de red recibe el mismo paquete de datos de varias gatewayde enlace, solo procesará una de ellas e ignorará las copias. Por lo tanto, si el servidor recibe tres paquetes de datos iguales porque el contenedor de basura está conectado a tres gatewayde enlace en nuestra ilustración, solo se procesará uno de ellos, lo que garantiza una transferencia de datos muy precisa y eficiente.

Compensaciones

Como en toda aplicación de ingeniería, en el mundo de LoRaWAN existen compensaciones en cuanto a potencia, velocidad y alcance. El siguiente diagrama muestra los puntos a considerar.

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

Bandas de frecuencia

LoRaWAN utiliza frecuencias de radio más bajas a un mayor alcance y las bandas de frecuencia difieren entre países.

• Europa : Bandas de 863-870 MHz y 433 MHz (868 MHz utilizado por The Things Network). Todos los dispositivos y redes deben ser compatibles con tres canales comunes de 125 kHz para la banda de 868 MHz (868.10, 868.30 y 868.50 MHz).
• EE. UU .: Banda de 902-928 MHz, dividida en 8 subbandas. Cada una de estas subbandas cuenta con 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 europeos, los de EE. UU. se clasifican en canales de enlace ascendente y descendente.
• Australia : Banda de 915-928 MHz. Las frecuencias de enlace ascendente en Australia son más altas que en la banda estadounidense. Sin embargo, las frecuencias de 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 enlace ascendente y 48 canales de enlace descendente.

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 la 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 la comunicación de enlace descendente del 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 cualquiera de las ventanas
• El intervalo de transmisión (ranura 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 siguiente oportunidad será después de la siguiente transmisión de enlace ascendente

La primera línea del diagrama representa el proceso cronológico del proceso de enlace ascendente/descendente del dispositivo final de clase A. Primero, envía una señal de enlace ascendente, espera y abre la primera ventana de recepción; espera de nuevo y abre una segunda ventana de recepción. Las dos líneas siguientes muestran correcta de una de enlace descendente después de que la ventana de recepción la capture. La última línea muestra incorrecta 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 los de clase A
• La diferencia: los dispositivos de clase B abren adicionales en horarios programados además de las ventanas de recepción de la clase A
• A diferencia de los dispositivos de Clase A, que abren sus ventanas de recepción en función de sus propias necesidades de comunicación, los dispositivos de Clase B reciben una señal sincronizada en 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 ventanas de recepción casi continuamente abiertas, que solo se cierran cuando se transmite
• Esto permite una comunicación de baja latencia , pero consume mucha más energía que los dispositivos de la 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 por aire, 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 globalmente único ( DevEUI ), el identificador de aplicación ( AppEUI ) y una clave AES-128 ( AppKey ).
3. El procedimiento de unión consta de dos mensajes MAC (control de acceso al medio) intercambiados con el servidor, es decir, 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 de 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 habrá completado la OTAA.

Activación por Personalización (ABP)

En determinadas circunstancias, los dispositivos finales pueden activarse mediante personalización. Esta activación vincula directamente un dispositivo final a una red específica, omitiendo el proceso de solicitud de unión y aceptación de la misma. Por lo tanto, a diferencia de OTAA, la DevAddr y las dos claves de sesión (NwkSKey y AppSKey) se almacenan directamente en el dispositivo final, en lugar de la DevEUI, la AppEUI y la AppKey. En resumen, el dispositivo final ya cuenta con la información necesaria para participar en una red LoRa específica al iniciarse.

La ventaja de ABP es su fácil conexión a la red, ya que el dispositivo puede ponerse en funcionamiento en poco tiempo, lo cual resulta muy adecuado para ciertas aplicaciones. La desventaja es que las claves de cifrado que permiten la comunicación con la red están preconfiguradas en el dispositivo, lo que reduce la seguridad.

Conclusión

Para resumir, los puntos clave de LoRaWan :

• LoRaWAN cubre largas distancias, lo que lo hace ideal tanto para soluciones urbanas como rurales
• LoRaWAN consume menos energía, lo que hace que la tecnología sea ideal para dispositivos alimentados por batería
• 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 los dispositivos móviles o WiFi debido a la menor cantidad de dispositivos Gateway necesarios
• LoRaWAN admite la comunicación bidireccional
• Una sola Gateway LoRaWAN puede alojar miles de dispositivos o nodos, varias Gatewaybrindan resiliencia a las soluciones inteligentes

Glosario de términos

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

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

AppEUI : es un ID de aplicación global que direcciona 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, asignada por el propietario de la aplicación. Esta clave se utiliza para obtener las claves de sesión NwkSKey y AppSKey específicas de ese dispositivo 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 . Está diseñada para procesar volúmenes masivos de datos generados por dispositivos, sensores, sitios web, aplicaciones, clientes y socios, e iniciar acciones para obtener respuestas en tiempo real.

Velocidad 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 cantidad determinada de datos de un lugar a otro, en función de qué tan amplio sea el ancho de banda.

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

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

DevNonce : un valor aleatorio asociado a un dispositivo final. Si un dispositivo final intenta conectarse al servidor con un valor DevNonce que ya ha usado, el servidor ignorará la solicitud, lo que previene una catástrofe del sistema conocida como ataques de repetición.

Enlace descendente : el enlace (conexión) entre un satélite y una estación terrestre. La frecuencia de las señales de enlace descendente suele ser más amplia para cubrir una amplia área terrestre y proporcionar la mayor cantidad de servicios posible.

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

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

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

Canal de frecuencia : cuando una banda está canalizada, significa que existen frecuencias discretas específicas que un dispositivo (como una radio) utilizará para transmitir datos. En lugar de elegir arbitrariamente frecuencias aleatorias dentro de la banda, un dispositivo o red se ajustará a un tamaño de paso determinado para aumentar la eficiencia y evitar desperdiciar intervalos entre diferentes frecuencias. Por ejemplo, para una banda de 28-29 MHz, tres 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 directamente con la aplicación

LoRa : tecnología patentada de modulación de radio de espectro ensanchado (CSS) por chirp 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 los dispositivos de nodo final, mantenido por LoRa Alliance

LPWAN (red de área amplia de baja potencia): una tecnología de red de área amplia inalámbrica especializada para 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 atravesar la atmósfera, donde la atenuación es inevitable (por ejemplo, debido a la lluvia). Para evitar la mayor atenuación posible, las estaciones terrestres amplifican sus señales de enlace ascendente con mayor potencia para que la frecuencia sea más estrecha (de modo que la señal pueda atravesar las obstrucciones del entorno). Por lo tanto, las señales de enlace ascendente suelen tener frecuencias más altas que las de enlace descendente.