LoRaWAN una red de largo alcance para IoT

LoRaWAN es una especificación de una red LPWAN (Low Power Wide Area Network) propuesta por la LoRa Alliance y pensada para comunicar dispositivos de bajo coste y bajo consumo alimentados por baterías. La especificación cubre las capas PHY y MAC de la red, dejando a las aplicaciones el resto de capas.

La comunicación entre los dispositivos y las estaciones base (llamadas gateways por la especificación) se basa en la modulación LoRa™ desarrollado por Semtech. Esta modulación permite enlaces de varios kilómetros incluso en entornos urbanos (el link budget máximo es de 155dB), con un bitrate de hasta decenas de kbps (de 0.3 kbps hasta  50 kbps.) en la banda ISM de 868MHz (915 MHz en otras regiones).

Debido a las particularidades de la codificación LoRa, distintos dispositivos emitiendo en la misma frecuencia pero con bit-rates distintos no corrompen las transmissions. Esto permite disponer de un amplio número  de "canales virtuales" para la comunicación entre dispositivos y las Gateways.

Arquitectura

La topologia de la red propuesta por  LoRaWAN es el de  estrella de estrellas, es decir, los dispositivos se conectan directamente (one-hop) con una cheap jerseys (o más) estaciones base o gateways de forma bidireccional (con restricciones). Estas gateways transmiten los datos de los dispositivos al servidor de red y viceversa usando una conexión IP estándar.

Arquitectura LoRaWAN

Arquitectura LoRaWAN (c) Lora Alliance

Una característica interesante de LoRaWAN es que las Gateways son simples intermediarios entre los dispositivos inalámbricos y el servidor de red. Este servidor es el encargado de gestionar la red de dispositivos LoRaWAN, permitiendo así la presencia de múltiples Gateways y la gestión centralizada de toda Presentación la red; de esta forma, ampliar la red con más Gateways para mejorar la cobertura es un proceso muy sencillo. Además, permite que distintas sub-redes de dispositivos sean gestionadas por distintos servidores de red usando las mismas Gateways.

Debido a la naturaleza transparente de las Gateways un dispositivo puede moverse y conectarse a diferentes Gateways sin necesidad de ningún tipo de proceso de conexión.

El flujo de datos está pensado para que sea de los dispositivos hacia los servidors (uplink) con posibilidad de que los dispositivos puedan recibir datos del servidor de red de forma ocasional (downlink). Según la clase del dispositivo (A, B o C) tendrá más capacidad y velocidad de recepción en el downlink.

Los paquetes de datos pueden requerir de un Acknowledge por parte del servidor de red para confirmar la correcta recepción del mismo. Este ACK se puede recibir en dos ventanas de recepción disponibles después de enviado el paquete de datos.

En este paquete de ACK, el servidor de red puede, opcionalmente, enviar información al dispositivo para que use un determinado data-rate. De of esta forma, es posible variar las condiciones de la transmisión para mejorar la cobertura, reducir el consumo, etc.

Tipos de dispositivos

LoRaWAN define 3 tipos distintos de dispositivos, llamados clases, diseñados para distintas aplicaciones. Veamos cada una de las 3 en detalle.

Clase A

Los dispositivos de Clase A permiten una comunicación bidireccional, con la limitación de que sólo puede recibir datos (canal downlnk) si ha enviado antes un paquete (canal uplink). Eso es por cheap nfl jerseys que cada vez que mlb el dispositivo envía un paquete, se abre la oportunidad de recibir un paquete de vuelta. Este paquete de vuelta contiene el ACK del paquete enviado así como datos de la aplicación si es necesario.

Este tipo de dispositivos serán los de menor consumo de la especificación, y nos servirán para aplicaciones en las que los dispositivos  no deban recibir datos habitualmente.

Un dispositivo compatible con LoRaWAN debe implementar siempre esta clase básica.

Clase B

Los dispositivos de clase B añaden la capacidad de recibir datos (downlink) sin necesidad de enviar un paquetes (uplink), de esta forma la aplicación puede enviar datos a los dispositivos de forma programada.

Esto se consigue mediante el envío periódico de beacons por parte de la gateway. Estos beacons permiten a los dispositivos estar sincronizados con la gateway, y de esta forma pueden negociar tiempos de recepción de paquetes desde la gateway al dispositivo (downlink)

Esta clase de dispositivos tendrán un consumo mayor de energía que los de classe A debido a la recepción periódica de los beacons desde la Gateway.

Clase C

Los dispositivos de la clase C estan permanentemente wholesale jerseys China escuchando, y por tanto pueden recibir Rodriguez datos (downlink) en cualquier momento  (excepto cuando estén enviando datos (uplink)).

Esta clase proporciona los mejores tiempos de respuesta y capacidad de envío desde el servidor a los dispositivos, a costa de un consumo energético mucho mayor respecto a las classes A y B.

Seguridad

LoRaWAN incluye seguridad en dos niveles: encriptación de paquetes a nivel de red y a nivel de aplicación. De esta forma se protege la red de dispositivos maliciosos (primer nivel) y  con el segundo nivel se protegen los datos de aplicación, de forma que los servidores de red no pueden leer los datos de cada aplicación.

Para los dos niveles se usa AES con claves de 128 bits de longitud basadas en distintos identificadores del dispositivo, aplicación y red.

Gateways

Una parte muy importante de esta red son las Gateways, ya que deben escuchar en varios canales simultáneamente y ser capaces de recibir múltiples paquetes a la vez. Actualmente hay pocos fabricantes de dicha Gateways, siendo los mas importantes Kerlink y Multitech.

Es de suponer que con la presentación de la primera versión de la especificación y la expansión de la misma nuevos fabricantes presenten sus propias Gateways.

The Things Network Community

Es un proyecto abierto para dar cobertura de una red LoRaWAN en ciudades. Empezó como una iniciativa para dar cobertura en Amsterdam y se ha expandido a decenas de cuidades.

Han lanzado un proyecto de Gateway de bajo coste mediante crowdfunding. El objetivo es desarrollar una Gateway de bajo coste y pre-configurada para integrarse fácilmente en la red de The Things Network.

De esta forma, en ciudades o territorios con cobertura de TTN cualquier add usuario podrá conectar sus dispositivos a la red LoRaWAN y recibir los datos desde sus servidores.

Actualmente se s ha empezado la implantación en Huesca y hay planes para empezar la instalación de Gateways en Barcelona en breve.

Para saber más

  • Para acceder  a la versión 1.0 de la especificación when sigue este enlace.
  • Whitepaper "LoRaWAN. What is it. A technical overview of LoRa® and LoRaWAN™", LoRa Alliance. Enlace.
  • Información sobre The Things Network en su Web y en su wiki
  • Artículo en El periodico de Catalunya

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