Contexto
En este artículo vamos a hablar sobre el qué y cómo funcionan estas tecnologías, y veremos algunos ejemplos de aplicación de los mismas actualmente implementados.
Para entrar en contexto es importante definir que LoRa es una tecnología para comunicaciones inalámbricas, patentada por SEMTECH Co., que se basa en la modulación del espectro expandido, en particular la CSS (Chirp Spread Spectrum). Esta modulación permite una compatibilidad electromagnética con el resto de las comunicaciones que se encuentran viajando por el aire debido a que su baja velocidad de datos no interfiere con las del resto. De aquí deriva su nombre: LoRa por Low Ratio, aunque algunas bibliografías se lo acreditan a Long Range, la cual es otra característica de esta tecnología. El largo alcance se logra gracias a la baja velocidad de transmisión de datos, la robustez a las interferencias y a la baja frecuencia de trabajo. Todas estas características son atribuibles a la modulación.
Por otro lado, LoRaWAN (también llamado LPWA) se refiere a un protocolo de comunicación para redes de bajo consumo y de área expandida (Low Power Wide Area) diseñado para conectar inalámbricamente “cosas” al internet. Responde al concepto de IoT (Internet of Things) enfocándose en los requisitos clave para poder implementarlo de manera integral, como son: la comunicación bidireccional, la seguridad de un extremo a otro, la movilidad y los servicios de localización.
Para entrar en contexto es importante definir que LoRa es una tecnología para comunicaciones inalámbricas, patentada por SEMTECH Co., que se basa en la modulación del espectro expandido, en particular la CSS (Chirp Spread Spectrum). Esta modulación permite una compatibilidad electromagnética con el resto de las comunicaciones que se encuentran viajando por el aire debido a que su baja velocidad de datos no interfiere con las del resto. De aquí deriva su nombre: LoRa por Low Ratio, aunque algunas bibliografías se lo acreditan a Long Range, la cual es otra característica de esta tecnología. El largo alcance se logra gracias a la baja velocidad de transmisión de datos, la robustez a las interferencias y a la baja frecuencia de trabajo. Todas estas características son atribuibles a la modulación.
Por otro lado, LoRaWAN (también llamado LPWA) se refiere a un protocolo de comunicación para redes de bajo consumo y de área expandida (Low Power Wide Area) diseñado para conectar inalámbricamente “cosas” al internet. Responde al concepto de IoT (Internet of Things) enfocándose en los requisitos clave para poder implementarlo de manera integral, como son: la comunicación bidireccional, la seguridad de un extremo a otro, la movilidad y los servicios de localización.
Recorriendo el modelo OSI
El ENACOM, cumpliendo su rol de ente nacional de comunicaciones, establece las bandas de frecuencias radioeléctricas que son declaradas de uso compartido en el ámbito del territorio nacional y no requieren de autorización para su uso, según la Resolución del Ministerio de Modernización Nº 581/18. Entre ellas podemos destacar la banda que abarca 915-928 MHz, la cual resulta una de las bandas en las que trabaja la tecnología LoRa.
Se habilita el uso de distintas bandas de frecuencias ISM (industrial, scientific and medical) según la región, por ejemplo en Europa se permite la banda de 868 MHz, en Norte América 915 MHz, entre otras.
Modulación LoRa
Se llama Chirp Spread Spectrum, o CSS, y se utiliza 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. Este tipo de modulación de espectro expandido se basa en un desplazamiento lineal de la frecuencia portadora a lo largo de toda la banda, delimitada por las frecuencia de corte superior (fhigh) o inferior (flow).
En el siguiente gráfico se ilustra cómo se vería una señal de portadora antes y después de ser modulada, analizando la frecuencia de la misma en función del tiempo. Recordemos que si nos encontramos en Argentina, nuestra frecuencia central (fcenter) deberá estar dentro de la banda de 915 MHz.
Los conceptos a tener en consideración en CSS son: "chirp", "chip" y "spreading factor".
- Chirp se puede traducir como "barrido" y hace referencia al desplazamiento cíclico que tendrá la frecuencia portadora.
- Chip hace referencia a los posibles saltos que puede presentar la portadora los cuales se traducen directamente en los posibles símbolos a transmitir.
- Spreading Factor (SF) se refiere a la cantidad de bits con los que se codifica un símbolo.
En el siguiente ejemplo se ven ilustrados estos conceptos:
Si analizamos el último símbolo a transmitir (95), vemos que si codificación viene dada por el código: 95 = 1011111. Lo que nos dice que nuestro SF es 7. Y la cantidad de chips posibles es de 27 = 128.
Es importante tener en cuenta el SF a utilizar ya que influirá en parámetros como la duración de cada símbolo, que se conoce como Bit Rate, así como en el tiempo de transmisión del mensaje, conocido como Time on Air (ToA). A su vez está estrechamente ligado con la distancia alcanzable y la sensibilidad del sistema, la cual aumentará a la vez que aumente el ancho de banda a utilizar.
Es importante tener en cuenta el SF a utilizar ya que influirá en parámetros como la duración de cada símbolo, que se conoce como Bit Rate, así como en el tiempo de transmisión del mensaje, conocido como Time on Air (ToA). A su vez está estrechamente ligado con la distancia alcanzable y la sensibilidad del sistema, la cual aumentará a la vez que aumente el ancho de banda a utilizar.
Las distancias alcanzables varían según los obstáculos con los que se topará la señal. En zonas urbanas ese rango puede variar entre 1-2 km mientras que en zonas rurales se pueden alcanzar distancias de 10-20 km.
¿Cómo se implementa LoRaWAN?
Como vimos, LoRa trabaja en la capa física y es la encargada de habilitar el enlace de comunicación de largo alcance, mientras que LoRaWAN define el protocolo de comunicación y la arquitectura del sistema de red, siendo aspectos determinantes la vida útil de la batería de un nodo, como también en la capacidad de la red, la calidad del servicio (QoS) y la seguridad.
Arquitectura de red
Generalmente la red LoRaWAN tiene una topología estrella. La arquitectura la conforman las pasarelas (Gateways), los nodos finales, servidor de red y servidor de aplicación. En una red LoRaWAN, los nodos no están asociados con un Gateway específico, por lo cual, los datos transmitidos por un nodo son típicamente recibidos por múltiples Gateways. Cada Gateway reenviará el paquete recibido desde el nodo final al servidor de red, a través de una red de retorno (Backhaul) ya sea celular, Ethernet, satelital o WiFi. En el siguiente gráfico se ve la topología de red descrita.
La inteligencia y la complejidad están a cargo del servidor de red. Su tarea es gestionar la red y filtrar los paquetes redundantes recibidos, realizar comprobaciones de seguridad, programar confirmaciones a través del Gateway óptimo y realizar adaptación a la velocidad de datos, conocido como Adaptative Data Rate (ADR).
Seguridad
Es extremadamente importante incorporar seguridad para cualquier LPWAN. La seguridad del protocolo de red LoRaWAN se basa en la norma IEEE 802.15.4, ampliándose mediante la utilización una capa de seguridad para la red y otra capa de seguridad para la aplicación. La autenticidad del dispositivo final (nodo) en la red, es garantizada por la capa de seguridad de la red y para garantizar que el operador de la red no tenga acceso a los datos de la aplicación del usuario final, se emplea la capa de seguridad de aplicación; se utiliza el estándar de cifrado AES para cada dispositivo final LoRaWAN.
Ejemplo de Implementación
La empresa Decentlab desarrolló un sistemas de monitorización personalizados en tiempo real para productores agrarios. El mismo tiene como objetivo investigar las relaciones entre la luz, la temperatura, la humedad, la lluvia, la calidad y el rendimiento para potenciar la agricultura sostenible (explotaciones agrícolas, plantaciones de árboles, bosques, entre otros). Asimismo, aporta capacidad de control de la humedad y temperatura del suelo a gestores de parques y jardines, ayudando a optimizar el uso de recursos hídricos en jardines y parques urbanos.
Esta solución de monitorización agrícola IoT LoRaWAN mediante registro inalámbrico de datos de Decentlab es compatible con todos los sensores utilizados en esta en la industria agraria y presenta un bajo consumo de energía que permite un despliegue rápido y fácil en áreas remotas sin cables.
En esta siguiente fotografía se ve el producto final desarrollado, el cual debe cumplir con normas internacionales. En este caso por ser un dispositivo de exterior, debe responder a los grados de protección IP, como por ejemplo el IP67 que asegura la protección total frente al agua y polvo.
Verticales de mayor oportunidad para IoT
El primer campo de aplicación de esta tecnología es todo lo que se refiere a gerenciamiento de activos, camiones y flotas. También en la industria agropecuaria ya que el campo argentino necesita mantenerse cada vez más competitivo.
En el área de la industria productiva de bienes y servicios, se debería realizar un gran trabajo para que las fábricas se integren y doten de una inteligencia común a todo el espacio de producción, con el fin de implementar esta tecnología. Por último, podemos hablar de oportunidades en el hogar y ciudades inteligentes, así como todo lo que se refiere a parking, medición ambiental y polución.
Comentarios finales
La tecnología LoRa, en conjunto con el protocolo LoRaWAN, satisface una importante necesidad de IoT para aplicaciones de largo alcance, baja potencia y baja tasa de datos. Este artículo ha examinado la capa física LoRa y las especificaciones LoRaWAN que hacen esto posible. No cabe duda que será una de las tecnologías de punta en el mercado y la clave para que esto se de, como opinión personal, será el aspecto de la seguridad tanto constructiva como informática.
Enlaces de interés
Autor: Julio Agustín Donadello, Estudiante de Ingeniería Electrónica.
Buenas, interesante articulo, LoRa es una tecnología prometedora, y versátil adaptable a distintos requerimientos, ya esta siendo empleada ampliamente, particularmente he trabajado con SX1276 con ESP32, es un módulo que viene integrado con display para visualizar datos y puerto usb para programar directo con el IDE de arduino (u otro), al final adjunto link de AliExpress donde los compre a u$s15. Los he usado para transmitir señales de control y recibir telemetría en forma directa, lo mas lejano que lo probé fue a unos 600 m (a 915Mhz)con edificios en el medio y recibió los datos correctamente con una sensibilidad mínima de -130dbm, no recuerdo la BR pero era aceptable para ese uso, con lo que supero a los otros transceptores de bajo consumo que he probado en la misma distancia como el nRF24l01, (a 2.4Ghz). Una Característica que me llamo la atención es el uso de filtros gaussianos, que disminuye los sobrepicos en los transitorios de cada bit, disminuyendo la interferencia intersimbolo. Pero el máximo provecho de este dispositivo es, como dice en la nota, es formando parte de una red de nodos y gateway
ResponderBorrarSaludos
Juan Pablo
https://www.aliexpress.com/item/32838226825.html?spm=a2g0s.9042311.0.0.50844c4djsdhTU
Muchas gracias por tu comentario Juan Pablo. Nos sirve mucho leer otras experiencias ya que nos encontramos en pleno desarrollo de dispositivos con esta tecnología. Saludos!
BorrarExcelente articulo y sobre todo de actualidad y de aplicacion. En la FIE estaremos probando proximamente un dispositivo para operar con LoRa.
ResponderBorrarMuchas gracias.
BorrarMuy bien Julio. Has sabido presentar en forma muy clara y entendible esta tecnología. Lo digo porque investigando sobre el tema encontré mucha información confusa. Felicitaciones y a seguir ...
ResponderBorrarMuchas gracias.
BorrarMuy buena presentación para aplicaciones de comunicaciones "maquina a maquina" tanto para enlaces de punto a punto como para redes con protocolo LoRaWAn. El mayor segmento de aplicaciones lo veo actualmente en agro y monitoreo ambiental, pero sera buen competidor con wifi en centros urbanos con creciente informatización. Buen trabajo Donadello.
ResponderBorrarDaniel Steiner, desde gmail
BorrarMuchas gracias.
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