El protocolo LoRaWAN

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

  • Symphony Link es un protocolo para usuarios industriales y empresariales que necesitan características avanzadas.
  • 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.

¿Pero, qué es LoRaWAN™?

LoRaWAN es la pila de protocolos en la parte superior de LoRa. Es un protocolo de capa de control de acceso a medios (MAC), que actúa como un protocolo de gestión de red para LPWAN. Es responsable del enrutamiento entre puertas de enlace y nodos finales. La versión 1.0 de la especificación LoRaWAN se introdujo en junio de 2015. Sin embargo, la Alianza LoRa la ha mantenido con pocas variaciones salvo revisiones de seguridad.

LoRaWAN define el protocolo de comunicación y la arquitectura del sistema para la red, mientras que la capa física LoRa habilita el enlace de comunicación de largo alcance. LoRaWAN también es responsable de administrar las frecuencias de comunicación, la velocidad de datos y la potencia de todos los dispositivos. Los dispositivos transmiten de forma asíncrona cuando tienen datos para enviar. Los datos transmitidos por un dispositivo de nodo final son recibidos por múltiples puertas de enlace, que envían los paquetes de datos a un servidor de red centralizado. El servidor de red filtra paquetes duplicados, realiza comprobaciones de seguridad y gestiona la red. Los datos se reenvían a los servidores de aplicaciones. La tecnología es altamente confiable bajo cargas moderadas, sin embargo, existen problemas con la transmisión de reconocimiento.

Application

LoRaWAN MAC

MAC Options

Class A

Class B

Class C

LoRa Modulation

Regional ISM Band

EU 868

EU 433

US 915

AS 913


Fig. LoRa Application Stack

En este artículo intentaremos profundizar en:

  • Cómo construir redes públicas o privadas con LoRa/LoRaWAN
  • Cómo funciona LoRaWAN
  • Clases A, B, and C en LoRaWAN
  • ¿Qué son los parámetros cómo el Chirp rate, processing gain, y la ortogonalidad?
  • Sobre las capacidades de Downlink y uplink.
  • Y también sobre las limitaciones del Duty cycle del protocolo LoRaWAN.


Arquitectura de las redes LoRaWAN


Estructura de red LoRaWAN

En una red LoRaWAN clásica, los dispositivos finales, y que disponen de uno o varios sensores o actuadores concectados a ellos, son los denominados nodos que se conectan a gateways y estos a su vez envían toda la información que reciben a un servidor, que por medio de una interfaz de aplicaciones o API entrega a su vez los datos a una aplicación final para el usuario.

Podemos distinguir por tanto los siguientes elementos en una red LoRaWAN:

  • 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, además de los sensores o actuadores con los que se conectan.

Típicamente, los nodos se pueden construir 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.

Fig. Ejemplo de nodo LoRaWAN

Los nodos envían o reciben datos hacia o desde las puertas de enlace o gateways LoRaWAN, hacia o desde Internet mediante una conexión de datos Ethernet, 3G-4G o similar.

Un nodo puede alcanzar una autonomía de varios años de vida con una pequeña batería si se programa para que se ponga en modo de suspensión profunda para optimizar el consumo de energía y únicamente se despierta en el momento de transmitir los datos vía LoRa. 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 o clasificar los dispositivos nodos LoRa:

  • 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 enviar 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 el 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 cierra 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 y 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 TTIG.
  • Gateway outdoor, de uso al aire libre, como por ejemplo Kerlink IoT Station, las RAK Outdoor o el LoRiX One que distribuye AlfaIoT.


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. Otra solución maker que se está utilizando mucho últimamente es el RAK 831 + Raspberry Pi


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, monitorizar 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.


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 interactua 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?

Existen gran cantidad de aplicaciones donde podemos utilizar 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 vídeo.
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.