Red de área amplia de bajo consumo (LPWA)

Tecnología de red de área amplia y baja potencia (LPWA; también denominada LPWAN ) ) permite que los dispositivos conectados se comuniquen en grandes áreas geográficas a una tasa de bits baja. Es un término amplio para la variedad de tecnologías utilizadas para conectar sensores y controladores a Internet sin el uso de WiFi o celular tradicional.

LPWA comenzó formalmente a través de una empresa francesa llamada Sigfox . (Aunque hubo precursores de este desarrollo, sobre los cuales puede leer aquí). Sigfox desarrolló un sistema de telecomunicaciones alternativo después de darse cuenta de que las necesidades de los dispositivos de Internet de las cosas (IoT) de baja potencia y baja velocidad de datos no estaban siendo satisfechas por los teléfonos celulares. redes. La tecnología celular tradicional, utilizada para cosas como teléfonos inteligentes, cubre un área amplia y consume una cantidad excesiva de energía; Los dispositivos de IoT requieren menos energía para paquetes de transmisión más pequeños. Para abordar mejor los requisitos de los dispositivos M2M e IoT, Sigfox creó un nuevo tipo de tecnología de red con las siguientes características:

• Chipsets y redes económicos.
• Batería de larga duración.
• Comunicación de datos limitada.

La tecnología Sigfox envía cantidades muy pequeñas de datos (12 bytes) muy lentamente (300 baudios) utilizando métodos de transmisión de radio estándar (codificación por desplazamiento de fase, DBPSK, subiendo y codificación por desplazamiento de frecuencia, GFSK, bajando). El largo alcance se logra como resultado de mensajes muy largos y muy lentos. Sigfox comercializó su solución patentada de IoT y ahora posee y opera una red, principalmente en Europa, que usa su tecnología.

Hoy, Sigfox no es la única organización que crea tecnología LPWA. La Alianza LoRa desarrolló LoRa , otra tecnología de radiofrecuencia que utiliza espectro de radio sin licencia para permitir una comunicación de área amplia y baja potencia entre dispositivos. LoRa es compatible exclusivamente con chips fabricados por Semtech; es diferente de Sigfox en que usa chirp de espectro ensanchado donde Sigfox usa tecnología de banda estrecha (o banda ultra-estrecha). LoRa en sí no es una solución LPWA, pero LoRaWAN, una especificación de protocolo construida sobre la tecnología LoRa, sí lo es.

Muchas empresas, incluido Link Labs, han capitalizado el rápido crecimiento del mercado LPWA mediante la construcción de tecnologías más grandes sobre el chip LoRa, encontrando formas alternativas de conectar dispositivos IoT. Todos están encontrando su propio nicho dentro del espacio LPWA. LoRaWAN y Symphony Link son dos de las tecnologías principales en desarrollo e implementación activos.

• LoRaWAN es un protocolo abierto creado utilizando el esquema de modulación de LoRa, que fue desarrollado para ser utilizado por operadores inalámbricos que desean utilizar espectro sin licencia para comunicarse con dispositivos IOT en su red. Está diseñado para redes públicas a gran escala con un solo operador.

• Symphony Link también se basa en la tecnología de capa física de espectro ensanchado de LoRa; es una especificación alternativa a LoRaWAN desarrollada por Link Labs. Link Labs atiende a clientes que intentan vender dispositivos conectados de terceros en un entorno empresarial o industrial.

A continuación, analizaremos las diferencias técnicas entre la tecnología inalámbrica Link Labs y LoRaWAN y cubriremos las funciones avanzadas de Symphony Link.

Vea nuestro seminario web para obtener más información sobre qué tipo de tecnología LPWAN es adecuada para su caso de uso.

Symphony Link frente a LoRaWAN

Enlace sinfónico ® es un sistema inalámbrico desarrollado por Link Labs. Es utilizado principalmente por clientes industriales y empresariales que aman la gama de LoRa pero necesitan alta confiabilidad y características avanzadas en su sistema LPWA.

LoRaWAN es un protocolo de capa de control de acceso a medios (MAC) diseñado para redes móviles, principalmente en Europa.

Codificación de símbolo LoRa

Tanto Symphony Link como LoRaWAN utilizan el esquema de modulación LoRa de Semtech. Esencialmente, LoRa es una forma de onda. Utiliza una tecnología de espectro ensanchado con chirrido que codifica varios bits por símbolo, tiene paquetización integrada y corrección de errores, y funciona con un gran procesador de señal digital de banda base integrado, llamado SX1301. LoRa® es una marca comercial de Semtech. El papel que juega LoRa tanto en LoRaWAN® como en Symphony Link® está en la capa 1, o capa física. Es análogo a la manipulación por desplazamiento de frecuencia u otra tecnología PHY en un sistema diferente.

modelo de datos OSI

La tecnología LoRaWAN es útil, con un ecosistema grande y creciente de proveedores, pero tiene varias limitaciones que la hacen inadecuada para soluciones de redes privadas:

• Las tasas de error de paquetes superiores al 50% son comunes, ya que LoRaWAN es un protocolo asíncrono basado en ALOHA con reconocimientos muy limitados. LoRaWAN, Sigfox y otros utilizan un método de envío de mensajes de "rociar y rezar" que no es apropiado para la mayoría de los casos de uso industrial. El reconocimiento del 100% del mensaje es fundamental para la mayoría de las organizaciones, que utilizan los datos recopilados para el análisis empresarial.

• Solo una red puede operar en un área sin interferencias. En LoRaWAN, todas las puertas de enlace, sin importar quién las posea u opere, usan los mismos canales de frecuencia. Eso significa que su red LoRaWAN ve todo mi tráfico y viceversa. Mi servidor no puede descifrar sus mensajes, pero consume la capacidad de todos modos. Este tipo de interferencia de capa 2 podría ser muy problemático a medida que las redes LoRaWAN escalan.

• Es casi imposible actualizar el dispositivo firmware por aire con LoRaWAN. LoRaWAN afirma poder hacer actualizaciones de firmware, pero no parece plausible cuando suma el tiempo (que podría ser varios días o incluso semanas), la complejidad (ya que tiene que administrar la actualización del firmware por completo en la capa de la aplicación) y el efecto sobre el rendimiento de la red (enviar muchos enlaces descendentes en una red LoRaWAN hace que la tasa de error de paquetes se dispare, ya que la puerta de enlace transmite con frecuencia, pero los nodos no lo saben cuando intentan enviar mensajes). Todos nuestros grandes clientes OEM no podrían o no estarían contentos de salir al mercado con firmware que tendrían que tocar físicamente para actualizar.

• No tiene una solución de multidifusión real. Debido a que LoRaWAN encripta todo el tráfico, tanto hacia arriba como hacia abajo, uno a uno, implementar multidifusión para sistemas de control, como un sistema de iluminación, por ejemplo, es muy difícil.

• LoRaWAN está diseñado alrededor de un límite de ciclo de trabajo del 1% impulsado por los requisitos ETSI europeos, lo que evita que LoRaWAN se utilice en sistemas que necesitan la capacidad de enviar muchos datos a la vez. Dado que este límite también se aplica a la estación base LoRaWAN, su capacidad para controlar la red, enviar comandos o enviar confirmaciones es muy limitada.

• Los límites del ciclo de trabajo de la arquitectura LoRaWAN evitan que los repetidores funcionen con ese sistema. Pero los repetidores son una necesidad para algunas empresas porque ayudan a reducir los requisitos de infraestructura de red y son una forma rentable de expandir el rendimiento y la escala de la frecuencia de radio.

• LoRa es incapaz de controlar la velocidad de datos y la energía en tiempo real. Su rango dinámico en el canal está limitado a unos 20 dB; debido a problemas de rango dinámico, un transmisor que está cerca de la estación base evitará que se escuche el nodo más alejado. Y dado que hay pocos reconocimientos en LoRaWAN, estos mensajes se perderían. (En el futuro, si se construyen grandes redes públicas LoRaWAN con muchas estaciones base en el alcance, este efecto se mitigaría un poco.) LoRaWAN también tiene Adaptive Data Rate (ADR), pero dado que es controlado por el servidor, si un nodo el enlace se desvanece repentinamente, el servidor no tiene forma de decirle que cambie los factores de propagación para compensar.

• Las fallas de seguridad de LoRaWAN no representan un riesgo significativo para la mayoría de los usuarios, pero el uso de claves e identidades previamente compartidas crea vulnerabilidades.

• Cualquiera que opere una red pública LoRaWAN debe obtener una NetID de LoRa Alliance. Dado que estos solo están disponibles para miembros contribuyentes y superiores, presupueste $ 20,000 por año para usar LoRaWAN.

LoRa Alliance está trabajando arduamente para mejorar la tecnología, pero a partir de ahora, LoRaWAN es mejor para los clientes que desean desarrollar soluciones para conectarse a las redes públicas de LoRaWAN. Para redes privadas, recomendamos encarecidamente a nuestros clientes que utilicen Symphony Link.

Razones por las que los clientes eligen Symphony Link® en lugar de LoRaWAN®

Recibo de mensaje garantizado.

Algún porcentaje de mensajes no reconocidos está bien para algunas aplicaciones de lectura de medidores, pero para redes de sensores o sistemas de control industriales o empresariales, 0% PER es un requisito. Tenemos muchos clientes de Symphony Link, desde empresas Fortune 100 hasta nuevas empresas, que intentaron construir sobre LoRaWAN y fracasaron. Symphony Link MAC reconoce cada mensaje, tanto hacia arriba como hacia abajo.

Firmware por aire.

Con Symphony Link, puede actualizar el firmware del host en su dispositivo después de que se haya enviado. Esta es una gran ventaja al principio de la evolución de IOT, ya que permite a los clientes llegar al mercado más rápidamente y con menos riesgo. Para muchos clientes, esta es la razón más importante para adoptar Symphony Link.

Sin límite de ciclo de trabajo.

En Europa, Symphony Link utiliza la banda de agilidad de frecuencia adaptativa Escuchar antes de hablar con salto de frecuencia, que elimina el límite del ciclo de trabajo. En la banda de 900 MHz, no hay límite de ciclo de trabajo. Además, al utilizar un esquema de salto de frecuencia completo, los dispositivos finales pueden transmitir hasta 1W en la banda de 900 MHz. Esto es ideal para dispositivos que funcionan con CA, como medidores de electricidad y luces.

Repetidores.

Dado que Symphony Link es un protocolo sincrónico, los repetidores permiten a los usuarios ampliar el alcance de la red de forma espectacular sin afectar la latencia. Los repetidores cuestan muchas veces menos que un punto de acceso exterior y, por lo tanto, permiten a los clientes de Symphony Link cubrir áreas más grandes sin gastar miles de dólares adicionales en infraestructura. También son muy eficientes en el consumo de energía, por lo que los repetidores pueden funcionar con energía solar o con baterías.

Calidad de servicio.

Con Symphony Link, la puerta de enlace tiene el control de la red que está creando, implementamos un sistema de niveles de calidad de servicio para permitir que los nodos con tráfico importante tengan prioridad sobre los dispositivos con tráfico de menor prioridad. No desea que una alarma tenga que competir con un medidor de agua por el acceso al canal.

Sin configuración por dispositivo.

Probablemente, el mayor dolor de cabeza al usar LoRaWAN es la complicada administración de múltiples claves de cifrado por dispositivo, tanto en el momento de la producción del dispositivo como en el lado del servidor. Con Symphony Link, la configuración del dispositivo host es la misma para todos los dispositivos del mismo tipo, y el intercambio de claves se maneja a través de nuestra arquitectura Diffie Hellman AES basada en PKI de clase mundial.

Control de velocidad de datos y energía en tiempo real.

En Symphony Link, antes de cada transmisión, un dispositivo final calcula el enlace inverso a la puerta de enlace y ajusta su potencia de transmisión y factor de dispersión o tasa de modulación para que coincida. De esta forma, los nodos de la red tienen un presupuesto de enlace equilibrado. Los nodos cercanos transmiten de forma silenciosa y rápida, y los nodos lejanos transmiten en voz alta y lenta. Y ADR en Symphony Link se trata de optimizar el rendimiento y la confiabilidad. Symphony Link ADR optimiza instantáneamente la capacidad incluso mejor que LoRaWAN.

Sin fallas de seguridad.

Con Symphony Link y el uso de una infraestructura de clave pública (PKI), el canal inalámbrico por aire se considera irrompible según los estándares de la NSA. PKI también evita la suplantación de identidad y asegura la identidad de la infraestructura.

Coexistencia de múltiples puertas de enlace y mitigación de interferencias.

Symphony Link utiliza una máscara de canal dinámica que está controlada por la puerta de enlace para garantizar la menor cantidad de colisiones posible. En los EE. UU., Symphony Link utiliza 28 veces más espectro que LoRaWAN y en Europa siete veces más.

Mayor capacidad.

Mediante el uso de funciones asincrónicas como el posicionamiento y la coordinación de enlace ascendente / enlace descendente, una red Symphony Link tiene más de cuatro veces la capacidad de LoRaWAN. Y cuando combina eso con la calidad del servicio, Symphony Link es una opción mucho más sólida para los usuarios que lo necesitan.

Multidifusión.

Symphony Link implementa claves de sesión de multidifusión que permiten direccionar grupos de dispositivos. Al agrupar lógicamente los nodos, puede controlarlos de la forma que tenga sentido para su aplicación. Si se trata de control de iluminación, por ejemplo, puede agrupar 10 nodos y enviar y recibir mensajes de esa manera. Esto también es lo que permite a Symphony Link transferir firmware por aire.

Sin costo asociado con un ID de red.

El funcionamiento de una red Symphony Link no requiere una identificación de red de LoRa Alliance. Symphony Link no interfiere con LoRaWAN y viceversa.

También hay otras características exclusivas de Symphony Link que son críticas para un subconjunto de usuarios, como la transmisión de sincronización de hora, que permite que los dispositivos finales se sincronicen con el reloj en tiempo real de la puerta de enlace y la marca de tiempo de los datos en el borde. Para obtener más información sobre estos, consulte la sección de casos de uso de Symphony Link a continuación.

Descripción del protocolo Symphony Link

Digamos que acabamos de encender nuestra puerta de enlace Symphony Link. Lo primero que hace es escanear la banda y crear un perfil de interferencia. (Tenga en cuenta que así es como funciona el sistema en 900 MHz. Para 868, la operación es ligeramente diferente, ya que el canal de baliza es fijo, pero usa un esquema TDMA).

Una vez que se completa el escaneo de interferencias, la puerta de enlace selecciona un canal de 500 kHz para su enlace descendente (125 kHz para Europa) y luego escucha ese canal para asegurarse de que no haya tráfico LoRa débil allí, lo que indicaría otra puerta de enlace Symphony Link más lejos. ha elegido ese mismo canal. También tenga en cuenta que este es el modo de selección automática de canales; el usuario también puede configurar el canal manualmente a través de la interfaz de administrador de red de nuestro software de administración de red.

Entonces se elige este canal y el sistema comienza a transmitir cada dos segundos. Este mensaje se puede llamar baliza o encabezado de trama. Este encabezado de marco contiene varios bits de información importantes.

Primero, este mensaje está encriptado con la identificación de la red. Esto es lo que permite a un cliente hacer que su red sea "privada" e inutilizable por otros usuarios de Symphony Link. Este es uno de los dos parámetros configurados en el dispositivo final, el otro es Application Token, que es lo que identifica el flujo de datos del dispositivo.

El segundo dato es el límite de tiempo del enlace ascendente / descendente. Esto le dice a los nodos que están despiertos durante esta trama cuando la puerta de enlace terminará de transmitir. Dado que LoRa es una tecnología semidúplex, es importante prevenir colisiones arriba / abajo, que son muy frecuentes en LoRaWAN. (Una puerta de enlace LoRaWAN debe responder a la solicitud de reconocimiento o enlace descendente de un nodo dentro de un período de tiempo fijo. La puerta de enlace no recibirá ningún mensaje LoRaWAN enviado durante este tiempo. Solicitar más reconocimientos en LoRaWAN solo agrava el problema de manera exponencial).

Un tercer dato son las frecuencias del canal de enlace ascendente de la próxima trama de enlace ascendente. Dado que Symphony Link utiliza un método de enlace ascendente de "salto de bloque", en el que el banco de receptores salta en cada cuadro, es necesario indicar a los nodos dónde están estos canales. Así es también como Symphony Link puede tener tantas más redes al aire en un momento dado sin interferencias. Además, dado que la puerta de enlace les dice a los nodos qué canales están disponibles, Symphony Link puede tener una puerta de enlace de 1 canal, 8 canales o 64 canales; al nodo final no le importa. Un repetidor o una puerta de enlace de un solo canal de bajo costo puede traer las mismas características a la red que una puerta de enlace más grande, con la única diferencia de la capacidad de enlace ascendente. Además, existe el beneficio adicional de que el nodo final puede detectar la presencia de una red de forma pasiva, incluso a través de 868 y 915. Un nodo final LoRaWAN tiene que transmitir a ciegas para ver si alguna red responde para saber si hay una red allí. O no; esto puede quemar mucha energía.

La puerta de enlace también envía un nivel de calidad de servicio para esa trama, de modo que si la red está congestionada, los nodos menos importantes pueden esperar antes de transmitir.

Finalmente, la puerta de enlace transmite el paquete de acuse de recibo comprimido, que contiene un acuse de recibo para todos los mensajes de la trama anterior. En LoRaWAN, los reconocimientos que ocurren son siempre uno a uno, y cuando agrega el preámbulo de LoRa a esos mensajes, son un gran consumo de ancho de banda. Al comprimir los ACK en un mensaje, ahorramos un tiempo significativo en el aire a través de LoRaWAN.

Hay información adicional que los nodos necesitan para realizar transacciones con la red, que está contenida en el mensaje de bloque de información y transmitida por la puerta de enlace cada ocho tramas. La información sobre los límites de potencia reglamentarios y la potencia de transmisión de la puerta de enlace es importante para los nodos, ya que calculan su potencia y factor de dispersión para cada transmisión. Si una red necesita intercambiar confiabilidad por capacidad, el bloque de información también puede decirle a los nodos que apliquen un margen de señal adicional a su potencia adaptativa y al cálculo de la velocidad de datos. También se transmite la versión de software de la puerta de enlace, para evitar una discrepancia en las capacidades entre el nodo final y la puerta de enlace. El mensaje de bloqueo de información también puede activar o desactivar el modo escuchar antes de hablar en los nodos, que solo es necesario para el funcionamiento en Europa y Japón. Además, el bloque de información le dice a los nodos si está conectado o no a la nube de administración de red y, por lo tanto, si el servidor PKI se puede usar para la fuente de clave pública y si el nodo debe registrarse antes de unirse a la red. Esto permite que algunas redes funcionen completamente desconectadas de Internet.

Supongamos que un nodo quiere transmitir una carga útil de enlace ascendente a la puerta de enlace. Dado que se trata de una red de baja potencia, ha estado completamente dormida e inactiva durante algún tiempo. Se despertará y sintonizará su receptor en la frecuencia en la que escuchó la puerta de enlace por última vez. Asume un desplazamiento de cristal en el peor de los casos y, por lo tanto, comienza a escuchar algunos milisegundos antes del comienzo del preámbulo del encabezado de la trama de la puerta de enlace.

A continuación, debería detectar y procesar el mensaje de encabezado de la trama. Aprende cuándo comienza la ventana de enlace ascendente y qué frecuencias están disponibles.

Luego duerme durante el resto del período de enlace descendente, a menos que sea un nodo de "enlace descendente siempre activo", que explicaré en un momento.

Una vez que finaliza la parte del enlace descendente de la trama, se sintoniza con una frecuencia aleatoria del conjunto que acaba de anunciar la puerta de enlace. Dentro del marco restante hay una serie de intervalos de tiempo, cada uno de los cuales constituye 10 bytes de longitud de carga útil del mensaje, más un período de escuchar antes de hablar.

En este punto, el nodo calcula la potencia y el factor de dispersión necesarios para cerrar el enlace de regreso a la puerta de enlace. Digamos que la señal es relativamente fuerte, por lo que elige un factor de dispersión 7 y una potencia de transmisión de 0 dBm.

Este nodo tiene un mensaje de 37 bytes para transmitir, por lo que necesitará 4 ranuras de subtrama.

Ahora, la calidad del servicio del nodo juega un papel importante en este punto. Suponiendo que la puerta de enlace no está suprimiendo los nodos con ese QOS, el QOS es lo que dicta qué porcentaje de intervalos de tiempo puede tomar un nodo. Un servicio de alta calidad seleccionará 4 ranuras de subtrama cada vez.

En el QOS más bajo, un nodo solo puede usar una ranura de subtrama en cada trama, por lo que se necesitarían 4 tramas para sacar 37 bytes por la puerta.

Pero supongamos que la QOS está en el medio, como 8, en el rango de QOS de 0-15. Entonces elige 4 ranuras.

A continuación, vuelve a dormir y vuelve a activar el fotograma después del siguiente para recibir el acuse de recibo. Si hubiera una colisión con uno de los 4 subpaquetes, solo 3 serían ACK’d y el nodo retransmitiría el subpaquete que falta en ese marco.

Dado que Symphony Link MTU o la longitud máxima de la carga útil de transmisión es de 256 bytes, se pueden necesitar hasta 26 ranuras para enviar un mensaje de gran tamaño. Lo bueno es que el módulo reenviará automáticamente las ranuras que falten. En LoRaWAN, si desea enviar más de 12 bytes, debe manejar los reintentos y la paquetización en la capa de la aplicación. Solo piense en lo difícil que sería implementarlo para más de unos pocos nodos.

Un repetidor en Symphony Link funciona ajustando una baliza, un enlace descendente, un enlace ascendente y un mensaje de transferencia, todo dentro de la porción de enlace ascendente de un marco Symphony normal. Esto se debe a que la velocidad de modulación o el factor de dispersión de los repetidores son 2 veces más rápidos que la puerta de enlace. Esto cede 3 dB del enlace, pero esto no es realmente perceptible para los repetidores, que pueden agregar una gran cobertura a la red. Si bien los repetidores tienen mucha menos capacidad que la puerta de enlace, una sola puerta de enlace puede albergar docenas de repetidores. Esta es una gran arquitectura para cubrir grandes áreas de manera rentable.

Estos son solo los conceptos básicos de cómo funciona Symphony Link. Hay muchas más funciones como transferencias de firmware, multidifusión e intercambio de claves, pero lo anterior debería darle una buena idea de la arquitectura básica del sistema.

Casos de uso de Symphony Link

Los clientes de Link Labs utilizan Symphony Link en una variedad de entornos empresariales e industriales. Una muestra de algunos casos de uso actuales incluye:

• Seguimiento de activos por GPS de carritos de golf en un campo de golf. Las soluciones móviles funcionan bien en estos casos, pero tienen un cargo recurrente mensual elevado. En este caso de uso, la velocidad de datos adaptativa en tiempo real es importante porque, a medida que circula un carrito de golf, el canal cambia drásticamente. Para que funcione bien, el dispositivo de seguimiento necesita la capacidad de actualizar el nivel de potencia y la tasa de modulación del factor de dispersión en tiempo real a medida que el canal entra y desaparece.
• Respuesta a la demanda en vivienda pública. Los calentadores de agua pueden equiparse con controladores DR que se controlan desde el sistema Symphony Link. Los calentadores de agua envían información de uso en tiempo real a la puerta de enlace; cuando una señal de respuesta a la demanda llega a la puerta de enlace desde Internet, puede apagar algunos o un subconjunto de esos calentadores de agua en menos de dos segundos.
• Supervisión energética de edificios comerciales. Un módulo de Link Labs está conectado a un sensor de conteo de pulsos que va en los paneles de circuitos en los edificios grandes. Con un punto de acceso en un edificio, puede conectar docenas a cientos de paneles de subservicio en todo el edificio para monitorear el consumo eléctrico.

Además, Symphony Link es la única tecnología LPWAN que funciona en casos de uso como estos:

• Control de bloqueo
• Respuesta a la demanda
• Sistemas de control industrial
• Control de iluminación
• Sistemas de alarma
• Seguridad física

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