Jun 03, 2021 ‧ 12 min estimados ‧ #lora #lorawan #lpwan #iot
Intro a la tecnología LoRa
Jun 03, 2021 ‧ 12 min estimados ‧ #lora #lorawan #lpwan #iot |
Contenido Diferencias entre LoRa y LoRaWAN Comparación con otras tecnologías |
LoRa es una de las tecnologías más utilizadas en el mundo de IoT, y en este artículo veremos de manera general algunas de sus características pasando por los siguientes temas:
Uno de los propósitos fundamentales del Internet de las Cosas es darle conectividad a dispositivos remotos para que puedan enviar y recibir información, y puedan permanecer prolongados períodos de tiempo funcionando sin necesidad de mantenimiento.
Las redes LPWAN (Low Power Wide Area Network) están tomando una relevancia cada vez mayor, debido a que pueden conectar dispositivos a grandes distancias con un consumo de energía realmente bajo. Dentro de las LPWAN podemos encontrar varias tecnologías disponibles. LoRa es una de ellas y cuenta con muy buenas características para proyectos de IoT.
El nombre LoRa es un acrónimo de Long Range y consiste en una técnica de modulación de radiofrecuencia patentada por Semtech. Es la capa física que provee a los dispositivos de comunicación inalámbrica de largo alcance y bajo consumo. Sus características la hacen muy interesantes para distintas aplicaciones de IoT, como podemos ver en esta imagen.
Las comunicaciones se realizan utilizando transceptores de bajo consumo en los dispositivos que brindan conectividad. El alcance de la comunicación depende del entorno donde se desplieguen, pero se pueden lograr comunicaciones de aproximadamente 3 km en ambientes urbanos y de más de 10 km en entornos rurales. La modulación que utiliza logra una buena penetración en edificaciones, pudiendo incluso implementarse en aplicaciones subterráneas, ideal para ciudades inteligentes.
Utilizando LoRa se pueden establecer comunicaciones punto a punto y también bajo la topología de estrella. Para esta topología es necesario desplegar gateways que brindan conectividad a los dispositivos dentro de su rango de cobertura y que por lo general están conectados a internet a través de una conexión IP. De esta manera se puede leer datos y controlar los dispositivos de manera remota.
Debido a los rangos de cobertura, un gateway puede dar conectividad a gran parte de una ciudad y decenas de kilómetros cuadrados en zonas rurales con una infraestructura mínima, por lo que resulta una tecnología realmente interesante cuando se trata de desplegar aplicaciones IoT.
A través de la LoRa Alliance se establecen las especificaciones de la tecnología LoRa, que ha tenido gran adopción de partes de empresas, desarrolladores y entusiastas, y en la actualidad podemos encontrar desplegadas diversas redes públicas y privadas alrededor del mundo. Esta imagen nos muestra un mapa de la conectividad mundial de LoRa.
¿Por qué es conveniente usar LoRa? Veamos algunas de las posibilidades que ofrece para determinar su conveniencia.
LoRa es una tecnología ampliamente utilizada y completa, y entre sus características principales podemos listar las siguientes:
A menudo LoRa es utilizado para referirse a LoRaWAN, aunque no es lo mismo. Analicemos algunas diferencias entre los términos.
A menudo LoRa es utilizado para referirse a LoRaWAN aunque no es lo mismo. En primer lugar, los stack de comunicaciones operan en capas, donde la capa física (PHY) define las especificaciones para la transferencia de datos, que luego se conecta a la capa de transferencia de datos (o capa de enlace) que establece el protocolo para enviar esos datos a los nodos conectados.
LoRa es la capa física que provee de las técnicas de modulación y demodulación para que los dispositivos se comuniquen a través de grandes distancias con un bajo consumo de energía.
Basado en la capa de transferencia de datos, LoRaWAN es la tecnología que vincula la señal LoRa a la aplicación. Controla tanto el protocolo como la arquitectura, esto ayuda a determinar la duración de la batería de los nodos, la calidad del servicio, la seguridad de los datos transmitidos, la capacidad de la red y los tipos y variedad de aplicaciones utilizadas.
Veamos de manera gráfica las capas de comunicación utilizadas con LoRa y LoRaWAN para entender mejor sus diferencias.
La utilización de las señales de LoRa dentro de LoRaWAN ha hecho posible crear soluciones de telecomunicaciones bidireccionales, de largo alcance y de bajo consumo para su uso en una amplia gama de situaciones. Aunque es importante que sepas que es posible usar LoRa en una comunicación punto a punto o en una red en estrella sin LoRaWAN. También podrías usar LoRaWAN como una red para otros enlaces de radio que no sean LoRa, aunque no sería realmente práctico. La diferencia básica sería que LoRa es la capa física, el chip, y LoRaWAN stack de software que se coloca en el chip para controlar toda la red.
Ahora que ya conocemos un poco sobre las generalidades de la tecnología, veamos algo de historia relacionada, cómo fue en sus inicios y cómo es actualmente.
La historia de LoRa comenzó en 2009 en Francia, cuando Nicolas Sornin y Olivier Seller se propusieron desarrollar una tecnología de modulación de baja potencia y largo alcance. A pesar de encontrar resistencia en un principio, continuaron dedicando su tiempo a convertir la idea en realidad. En 2010 conocieron a su tercer socio, François Sforza, y juntos fundaron la empresa Cycleo.
Inicialmente, los fundadores tenían como objetivo la industria de la medición, como por ejemplo agregar capacidades de comunicación inalámbrica para medidores de gas, agua y electricidad.
Convencido de las capacidades de largo alcance y baja potencia, Semtech adquirió Cycleo en mayo de 2012 y colaboró para mejorar aún más la tecnología y finalizar los chips necesarios para los dispositivos finales y también los gateways que proveen de conectividad a los dispositivos. Al mismo tiempo crearon el protocolo de red que permite a los dispositivos el acceso al medio - llamado originalmente LoRaMAC -, que especificó los formatos de mensaje y las capas de seguridad para las comunicaciones dentro de la red.
En febrero de 2015, se fundó LoRa Alliance y el protocolo de red pasó a llamarse LoRaWAN. Los objetivos de LoRa Alliance son apoyar y promover la adopción global del estándar LoRaWAN garantizando la interoperabilidad de los productos y tecnologías.
Muchos sistemas inalámbricos usan la modulación Phase Shift Keying (PSK) como capa física porque es eficiente para mantener un bajo consumo de energía. LoRa se basa en la modulación Chirp Spread Spectrum (CSS), que mantiene las mismas características de bajo consumo de la modulación PSK, pero aumenta significativamente el rango de comunicación.
La técnica CSS se ha utilizado desde hace mucho tiempo en comunicaciones militares y espaciales, ya que permite largas distancias de comunicación junto a una gran solidez a la interferencia; y LoRa es la primera implementación de uso comercial que utiliza esta técnica.
CSS utiliza un factor de propagación (SF) para difundir la información. Hay seis posibles SF en las redes LoRa que determinan el número de bits necesarios para transmitir la misma cantidad de datos. Un SF más bajo aumenta la capacidad del receptor para demodular un mensaje, mientras que un SF más alto aumenta la complejidad, ya que se necesitan más bits para transmitir la misma información.
La tecnología soporta tres anchos de banda correspondientes a 125, 250 y 500 kHz. Por lo general, las redes utilizan un ancho de banda de 125 kHz. La relación entre el SF, ancho de banda y el tamaño del paquete es esencial para determinar el tiempo en el aire (ToA), que es el tiempo total en que una transmisión demora en enviar un paquete.
El SF, el ancho de banda y el tamaño del paquete afectan directamente el rendimiento del enlace. Un dispositivo que transmite con un valor bajo de SF tiene un rendimiento más alto, aunque el aumento de SF también aumenta el rango de transmisión. Para que lo puedas entender mejor, esta tabla resume la relación entre algunos SF, el bitrate, el rango de comunicación y el tiempo en el aire considerando un ancho de banda de 125 kHz.
LoRa utiliza las frecuencias libres no licenciadas industriales, científicas y médicas (ISM), y cada país o región tiene su banda de frecuencia. Europa usa 868 MHz, mientras que USA, Brasil y Australia usan 915 MHz, por ejemplo. Además cada país también utiliza un esquema de frecuencia de sub banda para crear canales de transmisión. Cada sub banda está compuesta por una serie de frecuencias denominadas canales. La sub banda es fundamental para separar redes en la misma zona utilizando diferentes frecuencias.
En esta figura tenemos un ejemplo sobre el esquema de canales para Europa (EU 868), Estados Unidos (US 915) y Australia (AU 915).
Los países y regiones también determinan la cantidad de tiempo que un solo dispositivo podría usar el canal, implementando restricciones sobre el ciclo de trabajo (duty cycle). Así mismo, cada región define el esquema de canales de frecuencias para enlaces ascendentes y descendentes.
La LoRa Alliance trabaja en conjunto con las normativas de cada región para lograr un esquema de comunicación que cumpla con las reglamentaciones, y en esta tabla podemos ver las características y el estado de avance de cada región.
Las redes del tipo LPWAN están encontrando gran auge en la actualidad porque hay muchas aplicaciones de gran valor que requieren de dispositivos remotos conectados a internet. El costo de implementar redes en bandas sin licencia implica mucho menos capital de inversión que otras alternativas, como por ejemplo la tecnología celular.
Desde un aspecto general de comparación entre ancho de banda y alcance, en el siguiente gráfico podemos ver en dónde se encuentra LoRa.
Como podrás notar, el ecosistema LoRa es realmente enorme y se requiere de un estudio más profundo para comprenderlo de mejor manera. Más allá de eso, y a modo de resumen, en este artículo vimos los siguientes temas.
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