¿Qué es LoRaWAN? [Desglose técnico]

¿Está pensando en utilizar LoRaWAN para implementar su solución de IoT? Últimamente ha habido cierto impulso para este protocolo (caso en cuestión:machineQ), que funciona bien para aplicaciones simples implementadas en redes públicas. Sin embargo, si está desarrollando una solución de red privada para uso industrial o empresarial, existen algunas limitaciones de esta tecnología que debe conocer (y protocolos alternativos que, en muchos casos, le servirán mejor).

Vea el ejemplo de LoRaWAN Gateway para desarrolladores.

En este artículo, analizaremos en profundidad:

• La diferencia entre LoRa y LoRaWAN
• Cómo funciona LoRaWAN
• Clases A, B y C de LoRaWAN
• Frecuencia de chirrido, ganancia de procesamiento y ortogonalidad
• Barreras para construir redes privadas con LoRaWAN
• Una solución alternativa:Symphony Link
  
  

La diferencia entre LoRa y LoRaWAN

A veces la gente piensa que los términos LoRa y LoRaWAN significan lo mismo, pero son diferentes.

LoRa es un método para transmitir señales de radio que utiliza un formato de varios símbolos y chirridos para codificar la información. Es un sistema patentado fabricado por el fabricante de chips Semtech; su IP LoRa también tiene licencia para otros fabricantes de chips. Esencialmente, estos chips son chips de radio de banda ISM estándar que pueden usar LoRa (u otros tipos de modulación como FSK) para convertir la frecuencia de radio en bits, sin necesidad de escribir código para implementar el sistema de radio. LoRa es una tecnología de capa física de nivel inferior que se puede utilizar en todo tipo de aplicaciones fuera de un área amplia.

LoRaWAN es un protocolo de red de punto a multipunto que utiliza el esquema de modulación LoRa de Semtech. No se trata solo de las ondas de radio; se trata de cómo las ondas de radio se comunican con las puertas de enlace LoRaWAN para hacer cosas como el cifrado y la identificación. También incluye un componente de nube, al que se conectan varias puertas de enlace. LoRaWAN rara vez se usa para aplicaciones industriales (redes privadas) debido a sus limitaciones.

Existe otro protocolo de código abierto para LoRa que puede ser más adecuado para su caso de uso; descargue este documento técnico para obtener una explicación clara de cómo se compara con LoRaWAN.

Cómo funciona LoRaWAN

En el nivel más fundamental, los protocolos de radio como LoRaWAN son bastante simples. La forma en que las redes estelares conversan es similar a la de un profesor y sus estudiantes en una conferencia. La puerta de enlace (el profesor) habla con los nodos finales (la clase) y viceversa. Esta es una relación asimétrica en términos de comunicación. Todos en la clase podrían estar tratando de comunicarse con el profesor al mismo tiempo, pero el profesor no podría escucharlos ni entenderlos a todos a la vez. Aunque extremadamente simplificado, muchos elementos de las topologías estelares se remontan a esta analogía.

Vea un ejemplo de LoRaWAN Gateway para desarrolladores.

Así es como se ve en la práctica:digamos, por ejemplo, que tiene cuatro puertas de enlace y un nodo. El nodo transmite al espectro de radio a ciegas, y cualquier puerta de enlace que tenga la suerte de escuchar la transmisión puede tomarla y enviarla a la nube. Es posible que las cuatro puertas de enlace escuchen ese mensaje y lo envíen. (La única ventaja de esto:los mensajes aún se pueden transmitir a pesar de los enlaces muy débiles. Si un nodo transmite cinco mensajes y solo uno lo hace, su mensaje aún se ha transmitido).

Una vez que se ha entregado un mensaje, no hay acuse de recibo. Sin embargo, los nodos en LoRaWAN pueden solicitar agradecimientos. Si se solicita confirmación y las cuatro puertas de enlace recogen el mismo mensaje, la nube elige una puerta de enlace para responder a una hora fija, generalmente un par de segundos más tarde. Entonces, el problema es este: Cuando esa puerta de enlace está transmitiendo de regreso al nodo, deja de escuchar todo lo demás. Entonces, si su aplicación necesita muchos reconocimientos, es muy probable que pase más tiempo transmitiendo reconocimientos que escuchando, lo que eventualmente conducirá al colapso de la red.

El diagrama anterior muestra cómo funciona LoRaWAN. La barra superior indica si la puerta de enlace está transmitiendo o no. (Si es naranja, está transmitiendo; si es azul, no lo es). La barra en la parte inferior muestra los canales del receptor. Casi todos los sistemas LPWAN, incluido LoRaWAN, tienen múltiples canales de recepción y la mayoría de los sistemas LoRaWAN pueden recibir ocho mensajes simultáneamente, a través de cualquier número de canales de frecuencia.

LoRaWAN clases A, B y C

LoRaWAN tiene tres clases que operan simultáneamente. La clase A es puramente asíncrona, que es lo que llamamos un sistema ALOHA puro. Esto significa que los nodos finales no esperan un momento determinado para hablar con la puerta de enlace; simplemente transmiten cuando lo necesitan y permanecen inactivos hasta entonces. Si tiene un sistema perfectamente coordinado en ocho canales, podría llenar cada intervalo de tiempo con un mensaje. Tan pronto como un nodo completa su transmisión, otro comienza inmediatamente. Sin brechas en la comunicación, la capacidad máxima teórica de una red aloha pura es aproximadamente el 18,4% de este máximo. Esto se debe en gran parte a las colisiones, porque si un nodo está transmitiendo y otro se despierta y decide transmitir en el mismo canal de frecuencia con la misma configuración de radio, chocarán.

La clase B permite que los mensajes se envíen a nodos alimentados por batería. Cada 128 segundos, la puerta de enlace transmite una baliza. (Vea los intervalos de tiempo en la parte superior del diagrama). Todas las estaciones base LoRaWAN transmiten mensajes de baliza exactamente al mismo tiempo, ya que son esclavas de un pulso por segundo (1PPS). Esto significa que cada satélite GPS en órbita transmite un mensaje al comienzo de cada segundo, lo que permite sincronizar el tiempo en todo el mundo. A todos los nodos de Clase B se les asigna un intervalo de tiempo dentro del ciclo de 128 segundos y se les dice cuándo escuchar. Puede, por ejemplo, decirle a un nodo que escuche cada décimo intervalo de tiempo, y cuando esto aparece, permite que se transmita un mensaje de enlace descendente (consulte el diagrama anterior).

La clase C permite que los nodos escuchen constantemente y se puede enviar un mensaje de enlace descendente en cualquier momento. Esto se usa principalmente para aplicaciones alimentadas por CA, porque se necesita mucha energía para mantener un nodo activo y activo ejecutando el receptor en todo momento.

Frecuencia de chirrido, ganancia de procesamiento y ortogonalidad

Nota:En LoRaWAN, el factor de propagación (SF) se refiere a la tasa de chirrido. Este gráfico muestra la modulación LoRa Chirp a lo largo del tiempo. Se pueden decodificar diferentes SF en el mismo canal de frecuencia al mismo tiempo.

LoRa funciona moviendo un tono de RF a lo largo del tiempo de una manera muy lineal. Este gráfico muestra los chirridos en una cascada inversa:los datos más recientes están en la parte superior, lo que se denomina "chirrido ascendente". Puedes ver cómo esta frecuencia del tono aumenta con el tiempo. Las transmisiones LoRa funcionan chirriando, rompiendo los chips en diferentes lugares en términos de tiempo y frecuencia para codificar un símbolo. El hecho de que las transmisiones de LoRa salten de un lugar a otro en un momento particular podría significar una cadena de bits frente a otra. No es simplemente binario, tiene mucha información que puede transmitir (alta profundidad de símbolo).

Piense, por un momento, en la modulación por desplazamiento de frecuencia pura (FSK). Si un tono estaba estacionario durante algún tiempo y luego saltaba a otro lugar durante un tiempo, vería diferentes líneas o tonos. Esto se llama FSK 2-ario, que denota dos símbolos de frecuencia. M-ary FSK tiene múltiples tonos de frecuencia que pueden representar aún más símbolos. LoRa ha tomado este concepto, pero hace todo en un chirrido. Entonces, está obteniendo una ganancia de procesamiento. Debido a que tiene un patrón muy distinto, el receptor LoRa puede detectar chirridos más silenciosos, es decir, debajo del piso de ruido. Si tiene otra transmisión en el mismo canal a una velocidad de chirrido diferente, es ortogonal, lo que significa que podría detectarse al mismo tiempo. Dicho todo esto, hay mucha capacidad en el lado receptor.

Barreras para construir redes privadas con LoRaWAN

LoRaWAN funciona bien para algunas aplicaciones, pero no es la mejor opción para las soluciones implementadas por el cliente (también conocidas como redes privadas). Las principales razones de esto son:

• La coexistencia de varias puertas de enlace permite la interferencia. Con LoRaWAN, todas las puertas de enlace, sin importar quién las posea u opere, están sintonizadas en las mismas frecuencias. Eso significa que su red LoRaWAN ve todo mi tráfico y viceversa. Es mejor tener solo una red operando en una sola área para evitar problemas de colisión.

  Sin embargo, es posible trabajar a través de LoRa Alliance para tener canales específicos reservados para usos específicos. También es posible que los operadores de red limiten la cantidad de enlace descendente en sus redes desde el lado del servidor para garantizar que los extremos de baja prioridad no "obstruyan" la red con tráfico de enlace descendente.

• No garantiza la recepción del mensaje. LoRaWAN es un protocolo asíncrono basado en ALOHA donde son comunes las tasas de error de paquetes (PER) de más del 50 por ciento. Esto está bien para algunas aplicaciones de lectura de medidores, pero para redes de sensores o sistemas de control industriales o empresariales, un PER del 0 por ciento es un requisito. El método de envío de mensajes de "rociar y rezar" no es apropiado para la mayoría de los casos de uso industrial, por lo que LoRaWAN es más adecuado para redes centradas en enlaces ascendentes.
• Requiere una gran cantidad de trabajo de desarrollo. Otro desafío al que se han enfrentado nuestros clientes es que LoRaWAN es principalmente una capa de enlace de datos (MAC) (OSI Layer 2), con solo algunos elementos de una capa de red (OSI Layer 3). A día de hoy, ningún proveedor ofrece una solución LoRaWAN de un extremo a otro. En su lugar, debe trabajar con varios proveedores para adquirir nodos, puertas de enlace, un servidor backend y todas las demás partes del ecosistema por separado. Si bien esto permite mucha flexibilidad en las aplicaciones, deja a los desarrolladores de aplicaciones con una buena cantidad de trabajo para producir una oferta de productos completa. Esto incluye paquetización, control de enlace descendente, multidifusión, etc.
• Existen limitaciones en el ciclo de trabajo. Existen algunas limitaciones inherentes a las bandas de 868 MHz en las redes públicas. En Europa, la principal limitación es el ciclo de trabajo del uno por ciento (en la mayoría de los casos). Esto significa que si mide el tiempo promedio que la puerta de enlace está transmitiendo a lo largo del tiempo, no puede exceder el uno por ciento. Debido a esto, la puerta de enlace está bastante limitada en cuanto a la cantidad que puede transmitir. En los EE. UU., Las regulaciones de la FCC para la banda ISM no tienen tal limitación.

• Tiene un tamaño de carga útil de unidad de transmisión máxima variable (MTU). Otra gran limitación de LoRaWAN es que el tamaño de la carga útil de MTU es variable según el factor de expansión que la red asigna al nodo. En otras palabras, si está lejos de la puerta de enlace, la cantidad de bytes que puede transmitir es pequeña, pero si está cerca, es mucho mayor; simplemente no puede saberlo de antemano. Por lo tanto, el firmware o la aplicación del nodo debe poder adaptarse a los cambios en el lado de la carga útil en la capa de la aplicación, lo cual es muy desafiante cuando se desarrolla firmware.

  La mayoría de los desarrolladores resuelven este problema seleccionando la MTU más pequeña disponible con el factor de dispersión más alto que la red podría asignar, que en la mayoría de los casos es muy pequeño, a menudo menos de 12 bytes. Por lo tanto, los nodos LoRaWAN que necesitan enviar mayores cantidades de datos, por ejemplo, 300 bytes, tendrían que enviarlos en 30 mensajes de 10 bytes porque pueden enfrentar una situación en la que se les asigna una pequeña MTU. Como resultado, esos nodos transmiten mucho más de lo necesario debido a las complejas alteraciones del software que serían necesarias para manejar estos valores cambiantes de MTU.

LoRaWAN está bien si desea construir sobre redes públicas operadas y propiedad del operador. Hay muchos proveedores de hardware y servidores de red que compiten en este espacio, por lo que hay muchas opciones. Y para aplicaciones simples, donde no tiene muchos nodos y no necesita mucho reconocimiento, LoRaWAN funciona. Pero si sus necesidades son más complejas, inevitablemente se encontrará con serios obstáculos. Muchos usuarios de LoRaWAN aún no han experimentado esos obstáculos simplemente porque sus redes aún son bastante pequeñas. Intente usar LoRaWAN para operar una red pública con miles de usuarios haciendo cosas diferentes, y las dificultades seguramente se dispararán.

Además, desarrollar e implementar un sistema alrededor de LoRaWAN es un proceso complejo. Una de las razones por las que escribimos este artículo es porque tenemos clientes que se acercan a nosotros y tienen la impresión de que LoRaWAN “funciona fuera de la caja” como lo harían algunos módems WiFi o celulares. Deberá asegurarse de comprender toda la arquitectura y comprender bien cómo funciona el sistema antes de decidir cuál es la mejor ruta para usted.

Una solución alternativa:Symphony Link

Symphony Link es una pila de protocolos LoRa alternativa desarrollada por Link Labs. Para abordar las limitaciones de LoRaWAN y proporcionar la funcionalidad avanzada que la mayoría de las organizaciones necesitan para implementar con éxito soluciones de IoT, creamos nuestro propio software sobre los chips de Semtech. Algunas de sus funciones avanzadas incluyen:

• Un enlace bidireccional para la recepción de mensajes 100% garantizada. Los nodos y las puertas de enlace pueden comunicarse de manera confiable tanto hacia arriba como hacia abajo.
• Utiliza una máscara de canal dinámica controlada por la puerta de enlace, que permite la coexistencia de varias puertas de enlace con el menor número de colisiones posible. Pueden coexistir hasta 48 puertas de enlace sin afectar el rendimiento.
• No hay límite de ciclo de trabajo , porque en Europa, Symphony Link utiliza la banda de 900 MhZ.
• Symphony Link tiene una mayor capacidad que LoRaWAN , con una MTU fija de 256 bytes. Maneja toda la subpaqueteización y reintenta el envío de mensajes cuando es necesario para garantizar la entrega.
• Symphony Link es una solución completa de IoT de un extremo a otro que funciona nada más sacarlo de la caja. Puede poner su aplicación en funcionamiento más rápido que con LoRaWAN.

Hay muchas otras razones por las que las empresas eligen Symphony Link; puede leer más sobre esto en nuestro sitio web. O, si desea ver cómo Symphony Link podría funcionar para su caso de uso particular, programe una demostración gratuita de la tecnología hoy mismo. Le mostraremos cómo funcionará para su LPWA; cómo configurar una puerta de enlace y un kit de desarrollo en Symphony Conductor; y revise los pasos de integración, los presupuestos de energía y el rango. O, si tiene alguna pregunta sobre la tecnología, simplemente contáctenos.