Conceptos técnicos básicos que te ayudarán a entender LoRa y LoRaWAN (Low Power Wide Area Network) en pocos minutos

Te presentamos los conceptos básicos para empezar a utilizar LoRa y LoRaWAN más una lista de enlaces a artículos con información detallada.

El objetivo de este artículo es dejar claros los conceptos básicos para empezar a utilizar LoRa y LoRaWAN si quieres profundizar más sobre LoRaWAN al final del articulo encontrarás una lista de enlaces a artículos con información detallada.

Que es LoRa y LoraWAN

LoRa es una tecnología inalámbrica propietaria, fue desarrollada por Cycleo en Francia, Cycleo fue adquirida por Semtech en 2012, LoRa utiliza una modulación de amplio espectro (Spread Spectrum). El uso de este tipo de modulación permite una mejor tolerancia al ruido y de esta forma alcanzar largas distancias con un consumo muy bajo de energía, LoRa es el protocolo a Nivel de capa física (Capa OSI Nivel 1)

LoRaWAN es el protocolo de comunicación a Nivel de red (Capa OSI Nivel 2,3) que va sobre la capa física LoRa, el protocolo de comunicación LoRaWAN es abierto, esto permite que multitud de fabricantes puedan desarrollar dispositivos y de esta forma abaratar los costes de estos.

Gráfico LoraWAN Capas-OSI

De forma análoga a una red Ethernet se podría decir que LoRa son los cables que conectan los dispositivos en una red Ethernet y LoraWAN es la comunicación de los dispositivos a nivel de la dirección MAC y de la dirección IP de red de los dispositivos en la red Ethernet.

De ahora en adelante nos referiremos a LoRaWAN como el conjunto LoRa, LoRaWAN.

Ventajas de utilizar LoRaWAN

  • La comunicación entre dispositivos puede llegar a ser de varios kilómetros.
  • Muy bajo consumo de energía, permitiendo que los dispositivos puedan durar años utilizando una sola batería.
  • El coste de los dispositivos LoRaWAN es asequible para cualquier proyecto.
  • Es escalable y permite la comunicación de miles de dispositivos a través de uno o varios gateways.
  • Curva de aprendizaje rápida.
  • Ofrece un nivel alto de seguridad entre los dispositivos de la red, desde los nodos hasta el servidor de aplicaciones.

Elementos en una red LoraWan

  • Nodos (End points): Dispositivos finales que envían o reciben información a través de LoRaWAN, estos pueden ser sensores, actuadores, trackers.
  • Gateways: Es el dispositivo al que se conectan los nodos por LoRaWAN y permite la comunicación de estos con el Network Server.
  • Network Server: Es el software que controla la red y la lógica de comunicaciones entre los nodos y el Gateway, de esta forma evita el duplicado de paquetes, el acceso de los dispositivos. El Network Server en algunos casos esta embebido en el mismo Gateway y la ventaja de esto es un abaratamiento de la solución total y la desventaja es que limita la escalabilidad.
  • Application Server: Es el software que tratará los datos que se comunican a través de LoRaWAN, este software es completamente independiente de la red LoRaWAN y dependiendo del Network Server podrá comunicar por ejemplo con MQTT, Modbus TCP, API REST, entre otros.

Clasificación de los dispositivos LoRaWAN (nodos) según su consumo

  • Clase A: Son los dispositivos que tienen un máximo ahorro de energía ya que solo envían datos cuando es necesario y después de enviar esta información tiene unos segundos de espera, para recibir datos del Gateway pasando este tiempo pasa nuevamente a modo de reposo, este permite que los dispositivos comuniquen durante años con una única batería
  • Clase B: Son dispositivos en los que se pueden configurar el tiempo de mensajes de recepción, una vez pasado este tiempo pasa a modo de reposo.
  • Clase C: Dispositivos que están activos constantemente, esto requiere que estén conectados a la fuente de alimentación.

Calculo del tiempo de la carga útil de la batería

Estimar el tiempo de la carga útil de una batería no es una tarea fácil de realizar en los nodos LoRaWAN ya que depende de muchos factores la frecuencia con la que se envían/reciben los datos, el entorno (obstáculos), la temperatura, spreading factor, numero de muestras (Payload).

En el siguiente ejemplo se puede ver la estimación de la vida útil de la batería utilizando un spreading factor de 7 y una muestra cada X minutos.

Tabla datos LoraWan y Lora

¿Qué es el spreading factor (Factor de esparcimiento)?

Es un parámetro en la configuración LoRaWAN, que permite espaciar los datos transmitidos por LoRaWAN para poder tener un alcance mayor o permitir una tolerancia mayor en ambientes con mucho ruido, haciendo una analogía con el lenguaje hablado sería como deletrear, el spreading factor va desde SF7 a SF12 de menor a mayor esparcimiento.

¿Todos los dispositivos son compatibles entre sí?

La respuesta corta es no, por eso es importante que al elegir un dispositivo para una red LoRaWAN este certificado por la fundación LoRa Alliance, aun así, hay que tener en cuenta que dependiendo de la ubicación geográfica las bandas de frecuencia utilizadas varía, en Europa las bandas utilizadas son 433 MHz y 868 MHz, por eso es importante saber en qué banda operan los dispositivos que se van a adquirir.

tabla Lorawan región Banda MHz

¿Qué debo saber sobre la Gateway LoRaWAN?

Algo importante a tener en cuenta es si la Gateway incluye el Network Server (La administración de la red LoRaWAN en el mismo gateway) o no.

La cantidad de nodos que se pueden conectar a una Gateway dependerá de:

  1. Canales simultáneos con los que pueda trabajar la Gateway.
  2. Si es una Gateway Full Duplex o half dúplex ya que estas ultimas no pueden recibir datos mientras transmiten (algo muy poco habitual) ya que el envío de datos del Gateway a los nodos no se suele producir
  3. RSSI/SNR: RSSI (Indicador de intensidad de la señal recibida) SNR (Relación señal ruido)
  4. Carga de los recursos de la Gateway
  5. Si incluye el Network Server, una de las limitaciones será la cantidad de datos que pueda comunicar de los Nodos LoraWAN al Application Server.

En LoRaWAN no existe un numero exacto que determine los nodos que se pueden conectar a una Gateway como tal, ya que dependerá de los factores antes descritos.

¿Por qué es importante definir el Network Server?

El network server definirá la escalabilidad en el futuro y la facilidad de administración de la red LoRaWAN ya que puede ser de forma centralizada o descentralizada.

Network Server como servidor dedicado (Centralizado)

El network server se encuentra en un servidor independiente de las gateways, esto permite una alta escalabilidad de la red LoRaWAN y una gran facilidad de configuración, en contra parte el precio del proyecto se incrementa en coste, pero este siempre será el aconsejable para proyectos grandes.

gráfico nodos Lorawan

 

Network Server embebido en el Gateway (Descentralizada)

El network server se embebe en el Gateway para la configuración de la red LoRaWAN de ese Gateway en concreto, de esta forma el coste de la red LoRaWAN se abarata y en este caso el servidor de aplicaciones podrá trabajar con los datos directamente desde la Gateway.

Gráfico gateways lorawan

¿Utilizar LoRaWAN tiene desventajas, cuando debería tenerlo en cuenta?

Más que desventajas se podría decir que son limitaciones de la tecnología, ya que dependiendo de la aplicación o problemas que queramos resolver tendremos que utilizar la tecnología adecuada por un lado la distancia que pueda alcanzar, el ancho de bando y el consumo de energía

En el siguiente gráfico, se puede ver la tecnología que se debería utilizar dependiendo de la distancia

Gráfico redes_inalámbricas

En el siguiente gráfico se puede ver la tecnología adecuada según el ancho de banda

Gráfico ancho banda Lorawan

De estos dos gráficos podemos deducir que LoRaWAN es una tecnología pensada para comunicar dispositivos que necesiten poco ancho de banda y estén a mucha distancia entre sí.

En Logitek, ER-Soft disponemos de soluciones inalámbricas que aplican distintas tecnologías (WiFi, Bluetooth, Bluetooth LE, Wirepass, LoRaWAN, NB-IoT, comunicación móvil entre otras), si tienes cualquier duda o un proyecto donde te podamos ayudar no dudes en consultarnos.

Si estas interesado en conocer más sobre la tecnología LoRaWAN puedes leer los siguientes artículos.