LoRaWAN, el protocolo de red ideal para el Internet de las Cosas

En este artículo, vamos a hablarte de LoRaWAN, el protocolo de red preferido para llevar a cabo proyectos basados en el Internet de las Cosas (IoT) por todas las ventajas que le ofrece. Este protocolo utiliza la tecnología LoRa, a la cual ya le hemos dedicado un artículo. Si quieres saber más sobre ella, haz clic aquí.

¿Qué es LoRaWAN?

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) es un protocolo de red de área amplia y baja potencia (LPWAN) diseñado para habilitar la comunicación entre dispositivos IoT (Internet de las Cosas) utilizando la tecnología LoRa (Long Range). LoRaWAN define el protocolo de comunicación y la arquitectura de red que permite la conectividad de dispositivos LoRa a través de una infraestructura de red gestionada.

Como ya sabemos, en la actualidad existen muchos protocolos de red orientados a conectar objetos. Por ejemplo, tenemos 3G, 4G, WiFi, Bluetooth, NB-iOT, SigFox y, en este caso, LoRaWAN. Pero, lo que diferencia a LoRaWAN de todos ellos es que es capaz de adaptarse y responder a casos en que las redes móviles y la red WiFi no ofrecen una solución óptima. La red LoRaWAN es la solución adecuada para proyectos loT que necesitan bajo consumo de batería y el envío de un bajo volumen de datos.

LoRaWAN juega un papel importante en el desarrollo del Internet de las Cosas, por características tales como: conexiones bidireccionales seguras, bajo consumo de energía, comunicación de largo alcance, bajas velocidades de datos, baja frecuencia de transmisión, movilidad y servicios de localización. Permite la conexión y comunicación de y entre los dispositivos IoT sin necesidad de realizar instalaciones locales complejas. Además, otorga libertad de uso a los usuarios que vayan a instalar su propia red IoT.

Características de LoRaWAN

Las principales características de la red LoRaWAN son las siguientes:

· Red en estrella: los nodos están conectados a un punto de conexión central.
· Alcance de 10-15km.
· Encriptación AES 128.
· Soporte para 3 tipos de nodos.
· Administración de dispositivos.
· Uso en redes públicas y privadas.
· Bajo consumo y largo alcance.
· Baja transferencia de datos (hasta 242 bytes).

Red en estrella

¿Cuál es la relación entre LoRa y LoRaWAN?

LoRaWAN es la pila de protocolos en la parte superior de LoRa. Es un protocolo de capa de control de acceso al medio basado en la nube (MAC*) que actúa como un protocolo de gestión de red para LPWAN. Es responsable del enrutamiento entre puertas de enlace y nodos finales. En junio de 2015, se presentó la especificación inicial de LoRaWAN en su versión 1.0 y, desde entonces, la LoRa Alliance la ha mantenido con cambios mínimos, centrados principalmente en aspectos de seguridad.

LoRaWAN establece el protocolo de comunicación y la estructura del sistema de red, mientras que la capa física LoRa permite la creación de conexiones de largo alcance. Asimismo, LoRaWAN se encarga de regular las frecuencias de comunicación, la velocidad de transferencia de datos y la potencia de todos los dispositivos conectados. Estos dispositivos envían datos de manera asincrónica siempre que tengan información para transmitir.

Se puede pensar en LoRaWAN como el sistema operativo de un ordenador y en LoRa como el hardware. El sistema operativo (LoRaWAN) permite que el hardware (LoRa) funcione y se comunique con otros dispositivos.

En resumen, LoRa es la capa física de LoRaWAN y LoRaWAN es la capa de red que se ejecuta sobre LoRa.

^{*El MAC incluye aquellos mecanismos y protocolos de comunicaciones a través de los cuales varios dispositivos «interlocutores» (ordenadores,, teléfonos móviles, etc.) comparten un medio de transmisión común (cable, fibra óptica, etc.).}

Arquitectura de las redes LoRaWAN públicas

Una red LoRaWAN está formada por una serie de elementos: nodos (dispositivos finales), gateways (antenas), servidores de red y servidores de aplicación.

En una red LoRaWAN clásica, los nodos son los dispositivos finales (equipados con uno o varios sensores o actuadores), que establecen conexión con los gateways mediante el envío y recepción de información. Los gateways (antenas), a su vez, envían la información recibida por los nodos a un servidor de red que, por medio de una interfaz de aplicaciones o API, entrega los datos a una aplicación final a disposición del usuario. En la siguiente imagen vemos esta estructura en forma de esquema, con ejemplos de cada elemento:

Arquitectura de LoRaWAN. Diagrama de red.

Fuente: Wikimedia commons https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.en

¿Qué son los 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 como los que ofrecemos en AlfaIoT y algún tipo de microcontrolador como Arduino u otros de mayor potencia de cálculo a los que asociamos diferentes sensores y/o actuadores.

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 denomina «enlace ascendente» (uplink). Cuando recibe un mensaje de la puerta de enlace se denomina «enlace descendente» (downlink).

Clasificación de los nodos o dispositivos LoRaWAN según su consumo

Según su consumo, podemos identificar 3 tipos de nodos (o dispositivos finales LoRaWAN):

· Clase A. Los dispositivos de esta clase son los que tienen el menor consumo de energía (mayor ahorro), puesto que sólo envían información cuando es necesario. Tras el envío de datos, necesitan unos segundos de espera hasta recibir datos del gateway. Tras ese tiempo, pasan a estado de reposo. Este modo de funcionar permite que los dispositivos puedan comunicarse durante años con la misma batería. Los dispositivos de Clase A pueden utilizarse de dos formas: enviando datos en un intervalo de tiempo (por ejemplo, cada 15 minutos) o enviando datos con eventos (por ejemplo, cuando la temperatura supere los 21º o por debajo de 19º).
· Clase B. En los dispositivos de clase B, se puede configurar el tiempo de mensajes de recepción. Una vez pasado este tiempo, el dispositivo pasa a estado de reposo. De esta forma, la latencia de los mensajes se reduce, pero al mismo tiempo el uso de la energía también es menor.
· Clase C. Son dispositivos de recepción continua. Esto quiere decir que están activos constantemente. Son los menos eficientes y necesitan estar conectados continuamente a una fuente de alimentación para poder operar.

¿Qué son los gateways?

Las puertas de enlace o gateways también se conocen como módems, puntos de acceso o pasarelas de comunicación. Reciben este último nombre, puesto que actúan como pasarelas entre los dispositivos finales y el servidor (reciben la información transmitida por los nodos y la transmiten a los servidores de red). Una puerta de enlace 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.

Los gateways son los elementos más importantes de la red, ya que si ellos no existieran, tampoco habría comunicación.

¿Qué son los servidores de red (network server)?

Un servidor de red es una herramienta software que conecta los sensores y gateways con las aplicaciones superiores. Los mensajes de los gateways se envían al servidor de red. Aquí es donde tienen lugar los procesos más complicados relacionados con el tratamiento de datos. Sus funciones principales se pueden dividir en dos: gestión de los dispositivos y gateways, y control y supervisión de la red.

Un servidor de red lleva a cabo tareas como:

· Enrutamiento / reenvío de mensajes a la aplicación adecuada.
· Seleccionar la mejor puerta de enlace para el mensaje de enlace descendente.
· Eliminar los mensajes duplicados si se reciben por múltiples puertas de enlace.
· Descifrar los mensajes enviados desde los nodos finales y cifrar los mensajes que se envían a los nodos.
· Las puertas de enlace normalmente se conectan al servidor de red a través de un Protocolo de Internet (IP) cifrado.

¿Qué son los servidores de aplicación (application server)?

Los servidores de aplicación son encargados del tratamiento de los datos transmitidos. Se comunican con los servidores de red, aunque son independientes de la red LoraWAN.

En los servidores de aplicación es donde se ubican las verdaderas aplicaciones de IoT. En estos servidores se realizan procesos y acciones con los datos recopilados de los dispositivos finales.

Arquitectura de las redes LoRaWAN privadas

Las redes privadas son propiedad del usuario y, por tanto, la estructura se puede adecuar a las necesidades de cada cliente. La estructura de una red LoraWAN es flexible, por lo que es imprescindible analizar las necesidades de cada cliente con el objetivo de definir la arquitectura que mejor se adapte sin suponer excesivos costes.

Ventajas de la comunicación LoRaWAN para IoT

El protocolo de comunicación LoRaWAN ha sido diseñado con el objetivo de mejorar la industria IoT en muchos aspectos, ya que presenta gran cantidad de ventajas, entre ellas:

· Largo alcance. Permite la comunicación de dispositivos situados a 10-15 km y puede cubrir áreas de difícil acceso, como zonas montañosas o subterráneas.
· Bajo consumo de energía. Los dispositivos LoRaWAN están diseñados para operar con un muy bajo consumo de energía, lo que permite una vida útil prolongada de la batería. De hecho, las baterías pueden durar hasta diez años.
· Bajo coste. LoRaWAN opera en bandas de frecuencia sin licencia y utiliza una arquitectura de red descentralizada, lo que reduce los costes asociados con la implementación y gestión de la infraestructura de red. Esto hace que sea una opción económica para despliegues a gran escala. Además, el coste de los dispositivos LoRaWAN es asequible para cualquier proyecto.
· Escalabilidad. Permite la conexión de miles de dispositivos a través de uno único gateway.
· Seguridad. Dispone de mecanismos de seguridad que protegen las comunicaciones (autenticación, encriptación de extremo a extremo, uso de protocolos seguros, etc.).
· No tiene limitaciones de uso, ni de envío ni de recepción de información.
· Protocolo abierto. La documentación y especificación del protocolo están disponibles públicamente.
· Comunicación robusta. Esto es posible gracias al uso combinado de técnicas de modulación de espectro expandido y CSS.
· Interoperabilidad. Se trata de un protocolo de comunicación que se puede utilizar en gran cantidad de sectores gracias a que los datos se pueden integrar con facilidad en otras plataformas de control.

Casos de uso de LoRaWAN

La tecnología LoRaWAN presenta unas características que le hacen ideales para ser aplicada en gran cantidad de sectores. Además, gracias a su flexibilidad y capacidad de ser adaptada a las necesidades de cada usuario y proyecto, se puede integrar en soluciones muy específicas. Entre estas aplicaciones, destacamos las siguientes:

· Ciudades inteligentes (smart cities). Aparcamiento inteligente, monitorización ambiental, gestión de residuos, seguridad, alumbrado público, etc.
· Eficiencia energética. Seguimiento de datos de consumo eléctrico, agua, gas, etc y control óptimo del gasto.
· Geolocalización y seguimiento de personas y activos.
· Control de la calidad del aire en interiores y exteriores.
· Detección precisa de plagas.
· Agricultura inteligente. Monitorización de la temperatura y humedad del suelo, gestión del riego, etc.
· Monitorización de la cadena de frío en diversos sectores, como el de alimentación y atención médica.
· Seguridad pública.
· Gestión de recursos hídricos en lugares donde se producen desechos: edificios comerciales, hoteles, supermercados, plantas de procesamiento de alimentos, etc.

¿Qué es el Duty Cycle y qué relación tiene con LoRaWAN?

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%.

En LoRaWAN, el duty cycle se refiere a las restricciones impuestas sobre la tasa de transmisión de los dispositivos finales para cumplir con las regulaciones de radiofrecuencia y evitar congestiones en el canal de comunicación. Estas restricciones limitan la cantidad de tiempo que un dispositivo puede transmitir datos dentro de un período de tiempo específico, generalmente expresado como un porcentaje del tiempo total.

El duty cycle, por tanto, se define por la regulación de radiofrecuencia de la región en la que se implementa la red LoRaWAN y puede variar según el país. Por ejemplo, en Europa, la regulación ETSI EN 300 220 establece un «duty cycle» del 1% en la banda de 868 MHz para dispositivos que operan en licencia de baja potencia. Esto significa que un dispositivo LoRaWAN sólo puede transmitir durante el 1% del tiempo total, lo que limita la cantidad de datos que puede enviar durante un período de tiempo dado.

Este estándar define los siguientes duty cycles para cada una de las siguientes sub-bandas:

K (863 – 865 MHz): 0.1%
L (865 – 868 MHz): 1%
M (868 – 868.6 MHz): 0%
N (868.7 – 869.2 MHz): 0.1 %
P (869.4 – 869.65 MHz): 10 %
CV (869.7 – 870 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, un ecosistema colaborativo global de Internet de las Cosas que crea redes, dispositivos y soluciones utilizando LoRaWAN, 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 se utiliza una red privada, estos límites no se aplican, pero deben cumplir con los límites gubernamentales y de LoRaWAN.

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