Introducción a lora y lorawan: ¿que es lora y como funciona?

La comunicación es una de las partes más importantes de cualquier proyecto de IoT. La capacidad de una cosa para comunicarse con otras "cosas" (un dispositivo en la nube / servidor) es lo que le da a la "cosa" el derecho de adjuntar "Internet" a su nombre. Si bien existen toneladas de protocolos de comunicación, cada uno de ellos carece de una cosa u otra, lo que los hace "no totalmente adecuados" para las aplicaciones de IoT. Los principales problemas son el consumo de energía, el alcance / cobertura y el ancho de banda.

La mayoría de las radios de comunicación como Zigbee, BLE, WiFi, entre otras, son de corto alcance y otras como 3G y LTE consumen mucha energía y no se puede garantizar el alcance de sus áreas de cobertura, especialmente en los países en desarrollo. Si bien estos protocolos y modos de comunicación funcionan para ciertos proyectos, traen consigo una gran limitación como; dificultades para implementar soluciones de IoT en áreas sin cobertura celular (GPRS, EDGE, 3G, LTE / 4G) y reducción bruta de la duración de la batería de los dispositivos. Por lo tanto, al vislumbrar el futuro de IoT y la conexión de todo tipo de "cosas", ubicadas en todo tipo de lugares, existía la necesidad de un medio de comunicación hecho a medida para IoT que cubriera sus requisitos de potencia específicamente baja, alcance significativamente largo., económico, seguro y fácil de implementar. Aquí es donde entra LoRa.

LoRa (que significa Long Range) es una tecnología de comunicación inalámbrica patentada que combina un consumo de energía ultrabajo con un largo alcance efectivo. Si bien el alcance depende en gran medida del entorno y las posibles obstrucciones (LOS o N-LOS), LoRa generalmente tiene un alcance entre 13 y 15 km, lo que significa que una sola puerta de enlace LoRa puede proporcionar cobertura para toda una ciudad, y con un par más, un país. La tecnología fue desarrollada por Cycleo en Francia y pasó a primer plano cuando la empresa fue adquirida por Semtech en 2012. Usamos módulos LoRa con Arduino y con Raspberry Pi y funcionaron como se esperaba.

Características de LoRa

Una radio LoRa comprende algunas características que la ayudan a lograr una potencia efectiva de largo alcance y un bajo costo. Algunas de estas características incluyen;

1. Técnica de modulación
2. Frecuencia
3. Tasas de datos adaptables
4. Niveles de potencia adaptables

Modulación

Las radios Lora utilizan la técnica de modulación de espectro ensanchado chirp para lograr un rango de comunicación significativamente alto mientras mantienen características de baja potencia que son similares a las radios basadas en la capa física de modulación FSK. Si bien la modulación de espectro ensanchado por chirp ha existido durante un tiempo con aplicaciones en comunicaciones militares y espaciales, LoRa presenta la primera aplicación comercial de bajo costo de la técnica de modulación.

Frecuencia

Si bien la tecnología LoRa es independiente de la frecuencia, la comunicación entre radios LoRa se produce mediante el uso de bandas de frecuencia de radio sub-GHz sin licencia que están disponibles en todo el mundo. Estas frecuencias varían de una región a otra y, a menudo, también difieren entre países. Por ejemplo, el 868MHz se usa comúnmente para comunicaciones LoRa en Europa, mientras que el 915MHz se usa en América del Norte. Independientemente de la frecuencia, LoRa se puede utilizar sin grandes variaciones en la tecnología.

Bandas de frecuencia para LoRa en diferentes países

El uso de frecuencias más bajas que las de los módulos de comunicación como WiFi basado en las bandas ISM de 2.4 o 5.8GHz permite un área de cobertura mucho mayor, especialmente para situaciones NLOS.

Es importante tener en cuenta que en algunos países todavía se requieren permisos antes de que se puedan utilizar las bandas sin licencia.

Tasa de datos adaptable

LoRa utiliza una combinación de ancho de banda variable y factores de dispersión (SF7-SF12) para adaptar la velocidad de datos en una compensación con el rango de transmisión. Un factor de difusión más alto permite un rango más largo a expensas de una velocidad de datos más baja y viceversa. La combinación de ancho de banda y factor de ensanchamiento se puede elegir de acuerdo con las condiciones del enlace y el nivel de datos a transmitir. Por lo tanto, un factor de dispersión 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. Estos pueden variar desde tan solo 18bps hasta 40Kbp

Nivel de potencia adaptable

El nivel de potencia utilizado por las radios LoRa es adaptativo. Depende de factores como la velocidad de datos y las condiciones del enlace, entre otros. Cuando se requiere una transmisión rápida, la potencia transmitida se acerca al máximo y viceversa. Por lo tanto, se maximiza la duración de la batería y se mantiene la capacidad de la red. El consumo de energía también depende de la clase de dispositivos, entre varios otros factores.

LoRaWAN

LoRaWAN es un estándar de red de área amplia (LPWAN) de alta capacidad, largo alcance, abierto y de bajo consumo diseñado para soluciones IoT impulsadas por LoRa por LoRa Alliance. Es un protocolo bidireccional que aprovecha al máximo todas las características de la tecnología LoRa para brindar servicios que incluyen entrega confiable de mensajes, seguridad de extremo a extremo, ubicación y capacidades de multidifusión. El estándar asegura la interoperabilidad de las diversas redes LoRaWAN en todo el mundo.

Por lo general, hay una confusión cuando la gente intenta definir LoRa y LoRaWAN, que probablemente se resuelva mejor examinando el modelo de pila de referencia OSI.

En pocas palabras, basado en el modelo de pila OSI, LoRaWAN corresponde al protocolo de acceso a medios para la red de comunicación, mientras que LoRa corresponde a la capa física. Por lo tanto, LoRaWAN define el protocolo de comunicación y la arquitectura del sistema para la red, mientras que la arquitectura LoRa habilita el enlace de comunicación de largo alcance. Ambos se fusionaron para proporcionar la funcionalidad que determina la duración de la batería de un nodo, la capacidad de la red, la calidad del servicio, la seguridad y otras aplicaciones que ofrece la red. Si bien LoRaWAN es la capa MAC más popular para LoRa, existen otras capas propietarias que también se basan en la tecnología LoRa. Un buen ejemplo es Symphony link de Link Labs, especialmente desarrollado para aplicaciones industriales.

La arquitectura de red LoRaWAN

En oposición a la topología de red de malla adoptada por la mayoría de las redes, LoRaWAN usa la arquitectura de red en estrella, por lo tanto, en lugar de tener cada dispositivo final en un estado casi siempre encendido, la transmisión repetida de otros dispositivos para aumentar el alcance, los dispositivos finales en la red LoRaWAN se comunican directamente con las puertas de enlace y solo están encendidos cuando necesitan comunicarse con la puerta de enlace, ya que el alcance no es un problema. Este es un factor que contribuye a las características de baja potencia y alta duración de la batería obtenidas en los dispositivos finales LoRa.

La arquitectura de red LoRa consta de cuatro partes principales;

1. Dispositivos finales

2. Pasarelas

3. Servidor de red

4. Servidor de aplicaciones

1. Dispositivos finales

Estos son sensores o actuadores en el borde de la red. Los dispositivos finales sirven para diferentes aplicaciones y tienen diferentes requisitos. Con el fin de optimizar una variedad de perfiles de aplicaciones finales, LoRaWAN ™ utiliza tres clases de dispositivos diferentes en las que se pueden configurar los dispositivos finales. Las clases presentan compensaciones entre la latencia de la comunicación de enlace descendente y la duración de la batería del dispositivo.

Las tres clases principales son;

1. Dispositivos finales bidireccionales (clase A)

2. Dispositivos finales bidireccionales con ranuras de recepción programadas (Clase B)

3. Dispositivos finales bidireccionales con ranuras de recepción máximas (Clase C)

yo. Dispositivos finales de clase A

Estos son dispositivos que solo requieren comunicación de enlace descendente del servidor inmediatamente después de un enlace ascendente. Por ejemplo, son dispositivos que necesitan recibir una confirmación de entrega de mensajes del servidor después de un enlace ascendente. Para esta clase de dispositivos, deben esperar hasta que se envíe un enlace ascendente al servidor antes de poder recibir un enlace descendente. Como resultado de esto, la comunicación se mantiene al mínimo y, por lo tanto, tienen la operación de menor potencia y la mayor duración de la batería. Un buen ejemplo de dispositivos de clase A es un medidor de energía inteligente basado en LoRa

ii. Dispositivos terminales de clase B

A estos dispositivos se les asignan ventanas de enlace descendente adicionales a intervalos programados además del enlace descendente recibido cuando se envía un enlace ascendente (Clase A + un enlace descendente adicional programado). La naturaleza programada de este enlace descendente garantiza que la operación siga siendo de bajo consumo, ya que la comunicación solo está activa a intervalos programados, pero la energía adicional consumida durante el enlace descendente programado aumenta el consumo de energía más allá del de los dispositivos de Clase A, por lo que tienen una batería más baja. vida útil en comparación con los dispositivos finales de clase A.

iii. Dispositivos terminales clase C

Esta clase de dispositivos no tiene una limitación en el enlace descendente. Están diseñados para estar abiertos casi siempre a las comunicaciones del servidor. Consumen más energía que las otras clases y tienen la duración de batería más baja. Buenos ejemplos de dispositivos de clase C son los dispositivos finales utilizados en la gestión de flotas o en la monitorización del tráfico real.

2. Pasarelas

Las puertas de enlace (también denominadas concentradores) son dispositivos conectados al servidor de red a través de conexiones IP estándar que transmiten mensajes entre el servidor de red central y los dispositivos finales mediante el protocolo de comunicación inalámbrica de un solo salto. Están diseñados para admitir comunicación bidireccional y están equipados con multidifusión que permite al software enviar mensajes de distribución masiva como actualizaciones inalámbricas.

En el corazón de cada puerta de enlace LoRa hay un demodulador LoRa multicanal capaz de decodificar todas las variantes de modulación LoRa en varias frecuencias en paralelo.

Para un operador de red a gran escala, los factores distintivos clave deben ser el rendimiento de la radio (sensibilidad, potencia de envío), la conexión del chip SX1301 a la MCU de la puerta de enlace (USB a SPI o SPI a SPI) y el soporte y distribución de PPS señal cuya disponibilidad permite una sincronización horaria precisa en toda la población de puertas de enlace en una red

LoRa difunde la comunicación entre dispositivos finales y puertas de enlace a través de múltiples canales de frecuencia y velocidades de datos. La tecnología de espectro ensanchado utiliza velocidades de datos que van desde 0,3 kbps a 50 kbps para evitar que las comunicaciones interfieran entre sí y crea un conjunto de canales "virtuales" que aumentan la capacidad de la puerta de enlace.

Para maximizar tanto la duración de la batería de los dispositivos finales como la capacidad general de la red, el servidor de red LoRa administra la velocidad de datos y la salida de RF para cada dispositivo final individualmente a través de un esquema de velocidad de datos adaptativa (ADR).

3. Servidor de red

El servidor Lora Network 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 mientras transporta datos desde las puertas de enlace al servidor de aplicaciones. Realiza funciones que incluyen garantizar que no haya paquetes duplicados, programar reconocimientos y administrar la velocidad de datos y la salida de RF para cada dispositivo final de forma individual mediante un esquema de velocidad de datos adaptativa (ADR).

4. Servidor de aplicaciones

El servidor de aplicaciones determina para qué se utilizan los datos de los dispositivos finales. La visualización de datos, etc. probablemente se realice aquí.

Seguridad y privacidad de LoRaWAN

No se puede dejar de enfatizar la importancia de la seguridad y la privacidad en cualquier solución de IoT. El protocolo LoRaWAN especifica el cifrado para garantizar que sus datos estén seguros, concretamente

* Claves AES128 por dispositivo

* Regeneración / revocación instantánea de claves de dispositivo

* Cifrado de carga útil por paquete para la privacidad de los datos

* Protección contra ataques de repetición

* Protección contra ataques man-in-the-middle

LoRa usa dos claves; Las claves de sesión de red y sesión de aplicación proporcionan comunicación dividida y cifrada para la gestión de red y la comunicación de aplicaciones.

La clave de sesión de red, compartida entre el dispositivo y la red, es responsable de la autenticación de los datos del nodo final, mientras que la clave de sesión de la aplicación, compartida entre la aplicación y el nodo final, es responsable de garantizar la privacidad de los datos del dispositivo.

Características clave de LoRAWAN

*> Presupuesto de enlace de 160 dB

* +20 dBm de potencia TX

* Excepcional IIP3

* Mejora de la selectividad de 10dB sobre FSK

* Tolerante a la interferencia de ráfagas en el canal

* Corriente RX más baja: 10 mA

* Corriente de sueño más baja

* Despertar ultrarrápido (dormir a RX / TX)

Ventajas de LoRa

A continuación se presentan algunas de las ventajas asociadas con LoRa;

1. Largo alcance y cobertura: Con un alcance LOS de hasta 15 km, su alcance no se puede comparar con el de ningún otro protocolo de comunicación.

2. Baja potencia: LoRa ofrece radios de muy baja potencia, lo que las hace ideales para dispositivos que se requieren para durar 10 años o