¿Qué son LoRa y LoRaWAN?

Las redes LoRaWAN se están haciendo populares entre diferentes aplicaciones y verticales de IoT, por lo que merece la pena investigar su uso, características y funcionamiento. En este artículo analizaremos qué es LoRa y qué es LoRaWAN individualmente y sus principales diferencias. A continuación, analizaremos en detalle cómo realizar redes LoRaWAN basadas en el esquema de modulación LoRa RF. Por último, concluimos nuestro artículo identificando diferentes aplicaciones potenciales de los dispositivos basados en LoRa y sus ventajas sobre otros protocolos de communicación IoT disponibles. 

¿Qué es LoRa?

LoRa significa "Long Range Wide Area" (área amplia de largo alcance) y es un popular esquema de modulación de radio para realizar communicación de radio de bajo consumo y largo alcance. Es uno de los esquemas de modulación de radio más populares utilizados para Internet de las Cosas (IoT) de largo alcance y Máquina a máquina (M2M). Aunque LoRa existe desde hace tiempo, recientemente ha ganado mucha popularidad gracias a los conjuntos de chips que permiten la modulación de radio LoRa.  

Lo que es más importante recordar es que LoRa se refiere a la capa física o la capa física de radio, por lo tanto, LoRa por sí solo no es capaz de realizar operaciones de red y manejar el tráfico de red en aplicaciones IoT. El rango de frecuencias de funcionamiento de LoRa depende de la ubicación geográfica de implementación. Por ejemplo, en el contexto de Europa, LoRa opera en 868 MHz mientras que en Norteamérica es 915 MHz Además, en condiciones de línea de visión (LOS), el enlace de communicación puede extenderse hasta 10 km con modulación de radio LoRa. Sin embargo, hay que señalar que LoRa utiliza un espectro radioeléctrico propietario sin licencia.  

¿Qué es LoRaWAN?

LoRaWAN, sin embargo, se refiere a las instalaciones de red, que incluyen protocolos de red y gestión del tráfico, que utiliza la modulación de radio LoRa para permitir la communicación para un largo alcance. LoRaWAN o LoRa Wide Area Network facilita la capa de red y, por lo tanto, se busca sobre todo en aplicaciones IoT industriales. Se clasifica dentro de las redes LPWAN (Low Power WAN) no celulares. En palabras sencillas, podemos decir que LoRaWAN es una red que utiliza LoRa. Está mantenida por LoRa Alliance, que permite a los dispositivos communicarse de forma inalámbrica utilizando LoRa.  

Diferencia entre LoRa y LoRaWAN

Tras haber tratado por separado LoRa y LoRaWAN, merece la pena destacar brevemente la principal diferencia entre LoRa y LoRaWAN. Como ya se ha dicho, LoRa solo facilita las instalaciones físicas en communicación, mientras que LoRaWAN proporciona capacidades de capa de red que proporcionan la arquitectura de red de pila completa. LoRa se patentó inicialmente bajo Semtechun vendedor francés de semiconductores, mientras que LoRaWAN fue formulada por Alianza LoRa.  

En consecuencia, LoRa es simplemente un protocolo de communicación por radio que permite el funcionamiento a larga distancia, mientras que LoRaWAN es la red que utiliza el protocolo LoRa para realizar aplicaciones IoT LPWAN.  

Tecnología y arquitectura LoRaWAN

Teniendo clara la diferencia entre LoRa y LoRaWAN, nos centraremos ahora en cada uno de los dos enfoques por separado. Para empezar, nos centraremos primero en la tecnología LoRaWAN y su arquitectura.  

La red LoRaWAN se despliega como una topología de red en estrella, en la que un concentrador o nodo central se encarga de gestionar la communicación y la interconexión en la red. Una red LoRaWAN típica consta de los siguientes componentes:  

1. Unirse al servidor  
2. Servidor de aplicaciones  
3. Servidor de red  
4. Concentrador/Pasarela  
5. Nodos finales/dispositivos  

1. Unirse a los servidores

Los servidores de adhesión se encargan de gestionar las solicitudes de adhesión enviadas por los dispositivos finales cuando se unen a la red a través del servidor de red. Se mantiene como una pieza de software en un servidor, que pasa por alto la activación over-the-air (OTA) del dispositivo final, garantizando así su activación segura. El proceso de activación a través del servidor de adhesión lo inicia el dispositivo final, enviando las tramas de solicitud de adhesión de enlace ascendente al servidor de adhesión. A continuación, el join server indicará al servidor de red qué servidor de aplicaciones debe conectarse al dispositivo final solicitado. Esto se communica mediante tramas join-accept de enlace descendente. Además, el dispositivo de unión es responsable de mantener la siguiente información sobre cada dispositivo final de la red:  

• Perfil de servicio del dispositivo final  
• DevEUI - Se trata de un identificador único para cada dispositivo final  
• Appkey - Esta es la clave de encriptación de la aplicación  
• NwkKey - Esta es la clave de encriptación de red  
• Identificador del servidor de aplicaciones  

2. Servidores de aplicaciones

Los servidores de aplicaciones se encargan de gestionar los datos de sensores y aplicaciones enviados por los dispositivos finales. Estos datos se presentan a la interfaz de usuario para que tome decisiones e interprete los resultados basándose en ellos. El servidor de aplicaciones también es responsable de generar información de carga útil de enlace descendente para los dispositivos finales conectados, que se enrutan a través del servidor de red. En una red LoRaWAN puede haber más de un servidor de aplicaciones y cualquier nivel de análisis y procesamiento se realiza sobre el servidor de aplicaciones. Algoritmos de aprendizaje automático, técnicas de procesamiento de datos y análisis empresariales son algunos de los procesos que puede llevar a cabo la capa de aplicación. 

3. Servidor de red

El servidor de red LoRaWAN (LNS) desempeña un papel clave en la realización y gestión de toda la red. Hay algunas características common que se ven en los servidores de red de todas las redes LoRaWAN. Algunas de las principales características son: 

• El LNS se encarga de garantizar conexiones seguras con cifrado AES de 128 bits para la communicación de mensajes, proporcionando así seguridad de extremo a extremo. 
• Comprobación de la autenticidad e integridad de los dispositivos finales conectados a la red 
• Comprobación de la dirección del dispositivo, para un transporte preciso de los mensajes a través de la red 
• El protocolo ADR (Adaptive Data Rate) facilita la adaptación de la velocidad de transmisión de datos, optimizando así la velocidad de transmisión de los dispositivos finales. 
• El LNS determina la mejor pasarela para encaminar los mensajes de enlace descendente a los dispositivos finales 
• Reenvía los mensajes de solicitud y aceptación de unión entre los dispositivos finales y el servidor de unión. 
• Reenvío de cargas útiles de aplicaciones de enlace ascendente al servidor de aplicaciones correspondiente y gestión de cargas útiles de enlace descendente procedentes de distintos servidores de aplicaciones que se reenvían a los dispositivos finales correspondientes. 
• Gestión de todos los commands de la capa MAC (Media Access Control) 
• Gestión de todos los mensajes de enlace ascendente, lo que incluye su duplicación, el acuse de recibo de la recepción correcta 

4. Concentrador/Pasarela

Las pasarelas o concentradores son dispositivos encargados de recibir mensajes de los dispositivos finales y reenviarlos al servidor de red. Están conectadas a señales de radio moduladas por LoRa en sentido descendente (es decir, a los dispositivos finales) y a una conexión basada en IP en sentido ascendente (es decir, al servidor de red). Esta conexión ascendente está respaldada por una conexión celular (4G,3G, 5G etc.), Wi-Fi, Ethernet o incluso mediante una conexión de fibra óptica. Como el Pasarelas LoRaWAN no están directamente asociadas a dispositivos finales, pueden recibir información de varios dispositivos finales. Esto hace que las pasarelas reciban datos duplicados. Sin embargo, estos datos duplicados son gestionados por el servidor de red. La única funcionalidad de la pasarela con respecto a los datos recibidos es comprobar su integridad utilizando diferentes esquemas de detección de errores (por ejemplo: CRC). Las pasarelas también miden el RSSI (indicador de intensidad de señal recibida) de los mensajes procedentes de distintos dispositivos finales para ayudar al servidor de red a desduplicar los paquetes de varios dispositivos finales. En el caso de la communicación de enlace descendente, es decir, el envío de datos desde el servidor de red a los dispositivos finales, una pasarela simplemente pasaría los datos al dispositivo final de destino sin ningún procesamiento adicional. Las pasarelas LoRaWAN suelen ser de dos tipos: 

• Pasarelas de interior: Son soluciones rentables mucho más adecuadas para ubicaciones interiores donde se requiere una cobertura limitada. Por lo general, la antena se construye internamente, sin embargo, dependiendo del requisito puede haber antenas construidas externamente también. 
• Pasarelas exteriores: Proporcionan una mayor cobertura y suelen montarse a una altura considerable. También están equipadas con una antena exterior. 

5. Nodos finales/dispositivos

La pila tecnológica de las redes LoRaWAN puede realizarse utilizando un modelo de tres capas que se compone de: 

• Capa de aplicación 
• Capa MAC 
• Capa física 

La capa de aplicación se encarga de gestionar los datos de los sensores y enviar commandos a los actuadores conectados. También proporciona una interfaz de usuario para que un usuario interactúe con la red. 

La capa MAC es responsable de establecer la conexión entre las pasarelas LoRaWAN y los dispositivos finales. Las clases de dispositivos se determinan en esta capa, que también incluye diferentes opciones para que el diseñador las determine en función de la aplicación. 

La capa física se basa en el esquema de modulación LoRa RF y la frecuencia modulada se determina en función de la banda regional ISM (Industrial, Scientific, and Medical). 

Clases de dispositivos LoRaWAN 

Los dispositivos de red LoRaWAN se clasifican en tres clases en función de sus modos de funcionamiento: 

• Clase A 
• Clase B 
• Clase C 

En el modo de funcionamiento Clase A, un dispositivo final enviará un mensaje de enlace ascendente seguido de dos ventanas cortas de mensajes de enlace descendente. Cada ventana de mensaje de enlace descendente se retrasa distintos retardos desde el final del mensaje de enlace ascendente. Ahora bien, el servidor de red sólo puede enviar un mensaje de enlace descendente durante estas dos ventanas de recepción; si no lo consigue, la siguiente transmisión de enlace descendente estará disponible después de la siguiente transmisión de enlace ascendente. Además, si el servidor de red pudo enviar la transmisión de enlace descendente durante la primera ventana de recepción, el dispositivo final no abrirá una segunda ventana de recepción. Los dispositivos de clase A suelen funcionar con pilas y tendrían una alta latencia de enlace descendente. Son los más adecuados para aplicaciones de monitorización medioambiental y seguimiento de la ubicación que fomentan el estado de funcionamiento inactivo. Todos los dispositivos LoRaWAN deben ser compatibles con el funcionamiento de Clase A. 

En comparación con los dispositivos de clase A, los de clase B ofrecen ventanas de recepción programadas. Estas ventanas de recepción programadas son mensajes de baliza sincronizados en el tiempo transmitidos por la pasarela. Esto proporciona una latencia de enlace descendente más baja en comparación con los dispositivos de clase A. Se espera que los dispositivos reciban mensajes de enlace descendente en ranuras de ping determinadas después de recibir cada mensaje de baliza de las pasarelas. Sin embargo, una desventaja del modo de funcionamiento de Clase B es que ahora el dispositivo está en estado activo durante un tiempo considerable, lo que reduce la duración de la batería del dispositivo. Sin embargo, los dispositivos de clase B se utilizan tanto para aplicaciones IoT de supervisión como de actuación. Por ejemplo, se utilizan en contadores de servicios públicos y aplicaciones de información de temperatura. 

Los dispositivos de clase C escuchan "siempre" los mensajes entrantes de enlace descendente a menos que estén transmitiendo (transmisión de enlace ascendente). Esto los convierte en dispositivos que consumen más energía y suelen estar conectados a la red eléctrica. Sin embargo, una gran ventaja de los dispositivos de clase C es que imponen una baja latencia de enlace descendente en comparación con sus homólogos. Aplicaciones como el alumbrado público y los contadores eléctricos con interruptores son algunas de las aplicaciones populares que utilizan dispositivos de clase C. 

Seguridad de la red LoRaWAN

La seguridad es un factor importante en el contexto de las aplicaciones IoT, que suelen manejar información sensible. A continuación se indican las principales medidas de seguridad observadas en una red LoRaWAN: 

• Procedimiento de adhesión 
• Autenticación de mensajes 
• Dispositivo Commissioning 

Estas medidas de seguridad de red garantizan la protección de la red contra ataques de terceros y aseguran la integridad de los dispositivos conectados sin comprometer información valiosa. También garantizan un tráfico de datos gestionable en la red dada la limitación de recursos de la misma. 

El procedimiento de unión es aquel en el que los dispositivos finales se conectan al servidor de aplicaciones correspondiente mediante el servidor de unión. Inicialmente, el dispositivo final enviaría una solicitud de unión al servidor de unión, que sería autenticada por el servidor de unión. Tras una autenticación adecuada, el servidor de unión enviaría el mensaje de aceptación de unión al dispositivo final, habilitando la conexión entre el dispositivo final y el servidor de aplicaciones correspondiente. Tras la aceptación de la conexión, tanto el dispositivo final como el servidor de unión generarían claves de sesión individuales basadas en los metadatos recibidos. El servidor de unión compartiría sus claves de sesión con la red y los servidores de aplicaciones. En la transmisión, el tráfico de datos se asegura en dos niveles distintos de seguridad. El dispositivo final tendría una clave de sesión de aplicación de 128 bits compartida con el servidor de aplicaciones que es diferente de la clave de sesión de red AES de 128 bits compartida con el servidor de red. De este modo, ni la pasarela ni el servidor de red pueden leer directamente los datos de usuario transmitidos entre el dispositivo final y el servidor de aplicaciones. 

La red LoRaWAN hereda la capacidad de autenticación de mensajes debido a sus opciones de capa MAC, que se autentican a nivel de pasarela antes de transmitirse al servidor de red. Además, en las redes LoRaWAN es obligatorio commissionar los dispositivos. Las redes LoRaWAN ofrecen dos tipos de activación de dispositivos: 

• Activación por aire (OTA) 
• Activación por personalización (ABP) 

El usuario tendría la flexibilidad de elegir entre cualquiera de las dos opciones, sin embargo, la opción preferida es la OTA. 

Modulación LoRa

A lo largo del artículo, hemos discutido las propiedades de la red LoRaWAN, en esta sección discutimos brevemente sobre el esquema de modulación LoRa RF y algunas propiedades importantes de LoRa. LoRa es un esquema propio de modulación de espectro ensanchado basado en Chirp Spread Spectrum (CSS). El objetivo de LoRa es lograr una communicación de bajo rendimiento y baja velocidad de transmisión de datos. Como se basa en el mecanismo CSS, al aumentar la tasa de chirp, es posible aumentar el alcance de la communicación. Ahora bien, dado que el factor de dispersión aumenta con el incremento de la tasa de chirp, cabe preguntarse por la posible interferencia de los componentes de frecuencia. Sin embargo, LoRa utiliza la dispersión ortogonal de los chirps, evitando la colisión de diferentes componentes de frecuencia. Esto también garantiza la robustez de las señales LoRa, haciéndolas immune al desvanecimiento multitrayecto. I1TP14La sintonía con el desvanecimiento multitrayecto convierte a LoRa en un candidato adecuado para el entorno urbano, donde la propagación multitrayecto es prominente. El ancho de banda de LoRa es de 125 KHz o 500 KHz (para el enlace ascendente) y 500 KHz (para el descendente) y, dependiendo de la región de operación, este espectro de frecuencias cambia. 

Alianza LoRa

LoRa Alliance es una organización abierta y sin ánimo de lucro cuyo objetivo es conseguir aplicaciones IoT masivas con la adopción de redes LoRaWAN que se basan en la modulación LoRa RF. LoRa alliance colabora con más de 150 operadores de redes LoRaWAN en todo el mundo con más de 500 empresas, lo que garantiza una cobertura global. Esto convierte a las redes LoRaWAN en un candidato interesante para aplicaciones IoT masivas en un contexto global. Se puede acceder a un mapa de cobertura de red que muestra la cobertura global actual y los verticales actuales con aplicaciones basadas en LoRa a través de: https://lora-alliance.org/ . 

Ventajas y desventajas de LoRaWAN

Las redes LoRaWAN se han hecho populares por muchas razones, ya que imponen muchas ventajas en el contexto de IoT y aplicaciones IoT masivas. Algunas de las principales ventajas de LoRaWAN son: 

• Las redes LoRaWAN consumen poca energía, ya que los dispositivos basados en LoRa están optimizados para consumir poca energía.  
• Los dispositivos basados en LoRa tienen una batería de larga duración 
• Gracias al uso de la modulación de radiofrecuencia LoRa basada en CSS, las redes LoRaWAN pueden expandirse hasta un amplio alcance. Se trata de unos 10 km en el contexto de un entorno rural y de unos 3 km en el contexto de un entorno urbano. 
• Con la presencia de organismos de normalización como LoRa Alliance, los dispositivos basados en LoRa ocupan un lugar destacado en todo el mundo, lo que facilita su acceso. 
• Las funciones de seguridad inherentes a los dispositivos basados en LoRa son otra de las ventajas de las redes LoRaWAN. Estas redes también emplean técnicas de cifrado AES de 128 bits  

A pesar de sus atractivas características, las redes LoRaWAN no son siempre la mejor opción. Las redes LoRaWAN sólo son capaces de manejar velocidades de datos bajas y pueden transmitir pocas muestras de datos en un momento dado. Por lo tanto, necesitamos codificar tipos de datos como el texto en binario para estar a la par con la pequeña capacidad de carga útil de las redes LoRaWAN. Además, las redes LoRaWAN no son idóneas para manejar datos en tiempo real, ya que los dispositivos basados en LoRa pueden enviar datos en intervalos de tiempo determinados. 

¿Cuándo utilizar LoRa y LoRaWAN? (Aplicaciones) 

LoRa y LoRaWAN son adecuados para realizar aplicaciones IoT e IoT masivas que requieran las siguientes características: 

• Bajo coste de implantación 
• Bajo consumo de energía 
• Menor ancho de banda y transmisión de cargas pequeñas 
• Funcionamiento seguro y de largo alcance 

Estas características destacan en ámbitos como: 

• Aplicaciones de aparcamiento inteligente 
• Aplicaciones de control medioambiental y medición de servicios públicos 
• Seguimiento de la ubicación 
• Alumbrado público  
• Aplicaciones agrícolas y gestión ganadera 
• Aplicación de predicción de catástrofes, como terremotos 

Sin embargo, las redes LoRa y LoRaWAN no son el candidato ideal para aplicaciones como los hogares conectados y las aplicaciones domésticas automatizadas en las que, el procesamiento de datos en tiempo real y el control de diferentes actuadores. Las aplicaciones basadas en LoRa tampoco son el mejor candidato para aplicaciones que requieren mayores anchos de banda como para transmitir imágenes o vídeos. 

Conclusión

En conclusión, LoRa es el esquema de modulación de RF que constituye la capa física subrayada en la pila de red LoRaWAN. Además, con la presencia de organismos estandarizados como LoRa Alliance, las redes LoRaWAN se están popularizando para aplicaciones IoT e IoT masivas de bajo consumo y largo alcance.