Conceptos de actualidad: LoRa y LoRaWan

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Mucho se habla en la actualidad de términos como IoT (internet de las cosas), LoRa o LoRawan. Pero, de que estamos hablando?

 (IoT) describe la red de objetos físicos (cosas) que llevan sensores integrados, software y otras tecnologías con el fin de conectar e intercambiar datos con otros dispositivos y sistemas a través de Internet. Pero para que esta red de (cosas) se puedan comunicar entre ellas necesitamos redes de comunicación como 4G, 5G, LoRa, LoraWan, etc.

En este artículo vamos a intentar hacer una breve introducción en LoRa y LoRawan.

LoRa (Long Range) es una tecnología de IoT de comunicación de datos inalámbrica digital y se basa en la modulación de espectro ensanchado chirp, que mantiene las mismas características de baja potencia de la modulación FSK pero aumenta significativamente el rango de comunicación.

LoRaWan es un protocolo de capa d econtrol de acceso a medios (MAC) mantenido por LoRaAlliance. Está diseñado para permitir que los dispositivos de baja potencia se comuniquen con aplicaciones conectadas a internet a través de conexiones inalámbricas de largo alcance.

1 LoRa

1.1 ¿Qué es LoRa?

LoRa es una tecnología de modulación de RF para redes de área amplia de baja potencia (LPWAN). Fue desarrollado por Cycleo de Grenoble, Francia, y luego adquirido por Semtech, el miembro fundador de LoRa Alliance. Al ejecutarse en frecuencias ISM sin licencia en todo el mundo, esta conectividad es específicamente una referencia a los casos de uso de IoT que requieren energía ultrabaja para enlaces de datos de rango extremadamente largo. Por ejemplo, LoRa proporciona comunicaciones de largo alcance: hasta tres millas (cinco kilómetros) en áreas urbanas y hasta 10 millas (15 kilómetros) o más en áreas rurales (línea de visión). 

Con la tecnología LoRa, los dispositivos se comunican en rangos más largos que Bluetooth o Wi-Fi mediante un protocolo que permite la creación de redes IoT flexibles a gran escala que se utilizan en cualquier lugar, desde ciudades hasta áreas agrícolas. 

1.2 Pila de protocolos LoRa

LoRa es la capa física. Es desarrollado y mantenido por la empresa Semtech. LoRaWAN® es un protocolo de red abierto estandarizado y mantenido por LoRa Alliance.

Pila de protocolos

LoRa define la señal de radio, las frecuencias y la modulación. En diferentes regiones, se ejecuta en diferentes bandas, hay diferentes frecuencias. La modulación LoRa tiene que ver con la transmisión de datos por el aire de una manera eficiente a largo plazo. En la capa MAC (control de acceso a medios), realiza todas las funciones de seguridad de LoRaWAN®. Además, algunos otros trabajos importantes incluyen la activación de dispositivos en una red, el recuento de mensajes de reconocimiento, la sincronización de Windows para que la aplicación / red pueda enviar datos y comandos a los dispositivos finales, que son responsables por LoRaWAN®. Luego, finalmente, está la aplicación IoT en la parte superior. 

1.3 Frecuencias

LoRa opera en las bandas de radio ISM sin licencia que están disponibles en todo el mundo. ISM son las siglas de Industrial, Scientific and Medical (ISM). La UIT (Unión Internacional de Telecomunicaciones) había reservado originalmente una parte del espectro de RF a nivel mundial para aplicaciones industriales, científicas y médicas. 

Pros:

  • Cualquiera puede utilizar estas frecuencias.
  • No se requiere tarifa de licencia.
Lora 2

Contras:

  • Transmisión a baja velocidad de datos.
  • Mucha interferencia porque cualquiera puede usar estas frecuencias.
1.4 Modulación LoRa

LoRa es un esquema de modulación de espectro ensanchado patentado que se basa en la modulación Chirp Spread Spectrum (CSS), que permite la comunicación de datos de largo alcance. CSS es una técnica de espectro ensanchado que utiliza pulsos de chirp modulados en frecuencia lineal de banda ancha para codificar la información. LoRa funciona perfectamente en el entorno duro y denso cuando se maneja el ruido del canal, el desvanecimiento de múltiples rutas y el efecto Doppler, incluso a baja potencia. En resumen, la modulación LoRa es resistente a diversas interferencias.

  • Las técnicas de espectro ensanchado son métodos mediante los cuales una señal se distribuye deliberadamente en el dominio de la frecuencia. Por ejemplo, una señal se transmite en ráfagas cortas, “saltando” entre frecuencias en secuencias pseudoaleatorias.
  • Un chirrido, a menudo llamado señal de barrido, cuya frecuencia cambia a una velocidad fija, tal vez constante o exponencial.
  • Chirrido ascendente: es de la frecuencia más baja a la más alta. Cuando se alcanza la frecuencia máxima, vuelve a su frecuencia más baja y el proceso comienza de nuevo.
  • Chirrido hacia abajo: comienza con su frecuencia más alta y las frecuencias disminuyen con el tiempo. Cuando se alcanza la frecuencia más baja, vuelve a saltar a su frecuencia más alta y el proceso comienza de nuevo.

Los llamados pulsos de chirrido se envían como símbolos, que aumentan o disminuyen la frecuencia de LoRa de forma continua a lo largo del tiempo. A continuación, la transmisión de datos se realiza mediante la secuencia secuencial de estos pulsos de chirrido. 

Cuando se procesa un mensaje LoRa, se transmite el preámbulo largo de “chirrido constante” para lograr la detección de la señal LoRa. 6 chirridos ascendentes enviados como símbolos de preámbulo, por ejemplo.

Una vez que el módem LoRa se ha “bloqueado” en la señal de preámbulo, el final del preámbulo es seguido por el “chirrido inverso”. Se siguieron 2 chirridos descendentes para la sincronización de tiempo.

Entonces comienza la transmisión de datos, que tiene una serie de “señales moduladas”, que se parece al “salto-chirrido”. Saltar en la frecuencia representa los datos, las cargas útiles.

 

<Espectro extendido de chirrido>

 <señales no moduladas vs moduladas>

<Ejemplo de modulación LoRa>

1.5 Demodulación LoRa

En el lado de la demodulación, ocurre lo contrario. El primer paso para demodular LoRa es eliminar el chirrido de la señal para averiguar qué símbolos transmitió el remitente.

La belleza de LoRa es que esta modulación y demodulación son tan simples que pueden llevarse a cabo tanto en el dispositivo final como en las puertas de enlace. Hay un módulo de radio tanto en el transceptor como en el receptor. 

1.6 Enlace ascendente y descendente

En pocas palabras, LoRa proporciona comunicación bidireccional. Como todos sabemos, una arquitectura LoRaWAN® completa se compone de cuatro partes, dispositivos finales, puertas de enlace, servidor de red y servidor de aplicaciones. Los dispositivos finales envían datos a las puertas de enlace que son de enlace ascendente y la puerta de enlace los pasa al servidor de red, que, a su vez, finalmente los pasa al servidor de aplicaciones. Además, el servidor de red puede enviar mensajes, ya sea para la gestión de la red o en nombre del servidor de aplicaciones, a través de las puertas de enlace a los dispositivos finales, este proceso es el enlace descendente.

LoRa opera en un canal de ancho de banda fijo de 125 kHz o 500 kHz (para canales de enlace ascendente) y 500 kHz (para canales de enlace descendente).

<Arquitectura LoRaWAN®>

Las puertas de enlace pueden escuchar múltiples frecuencias al mismo tiempo, por lo que tienen multicanal y por eso se llama concentrador. 

1.7 Factor de dispersión

En términos de LoRa, la cantidad de código de ensanchamiento aplicado a la señal de datos original se denomina factor de ensanchamiento (SF). La modulación LoRa tiene un total de seis factores de dispersión de SF7 a SF12 que proporcionan algún tipo de ortogonalidad en la transmisión de datos que ocurre en la misma frecuencia. Cuanto mayor sea el factor de dispersión utilizado, más lejos podrá viajar la señal y aún así ser recibida sin errores por el receptor. 

<Factores de propagación de LoRa>

Por ejemplo, en la tabla anterior, hay cuatro factores de dispersión diferentes de SF7 a SF10 que se pueden usar para mensajes de enlace ascendente en un ancho de banda de 125 kHz. Muestra la tasa de bits equivalente, así como la distancia estimada. Tenga en cuenta que el alcance depende del terreno, como en las zonas urbanas o rurales. La distancia más larga se logrará en un área abierta. También proporciona el tiempo de permanencia (tiempo en el aire) para enviar una carga útil de 11 bytes con cada uno de los cuatro factores de dispersión.

Brevemente, un factor de expansión indica el número de bits de datos por segundo, la carga útil por unidad de tiempo.

* Los mensajes de enlace descendente transmitidos por canales de 500 kHz pueden utilizar los seis factores de dispersión disponibles (SF7… SF12).

* Ortogonalidad: SF es invisible entre sí. Esto significa que las señales moduladas con diferentes factores de dispersión y transmitidas en el mismo canal de frecuencia al mismo tiempo no interfieren entre sí, que es otra característica poderosa de LoRa. Tiene la capacidad de demodular varios SF diferentes o señales simultáneas en la misma frecuencia cuando tienen diferentes velocidades de chirrido. 

1.8 Mecanismo de velocidad de datos adaptativa (ADR)

ADR nos permite aprovechar las ventajas de la capa física LoRa®. Para maximizar la vida útil de la batería de los dispositivos finales y la capacidad general de la red, el servidor de red LoRaWAN® administra la configuración de la velocidad de datos y la potencia de salida de radiofrecuencia para cada dispositivo final individualmente mediante un esquema de velocidad de datos adaptativa (ADR).

Al tener los nodos finales más cercanos a una puerta de enlace transmitiendo utilizando el factor de dispersión más bajo, se minimiza su tiempo en el aire, lo que prolonga la vida útil de la batería. Los sensores a una distancia extrema transmiten a un factor de dispersión más alto. Se hace una compensación entre la vida útil de la batería y la distancia que un factor de expansión más alto permite que una puerta de enlace se conecte a dispositivos en un rango más lejano.

Durante la implementación, la configuración de ADR debe habilitarse si los dispositivos finales son estáticos o si el dispositivo final tiene condiciones de RF suficientemente estables. Por ejemplo, cuando se instala un sensor en un objeto en movimiento, o cuando un automóvil está estacionado encima de un sensor de estacionamiento, el ADR debe desactivarse temporalmente.

La función de ADR es que permite al servidor de red cambiar dinámicamente los parámetros de los dispositivos finales, como la potencia de transmisión, la lista de frecuencias, el factor de dispersión y la tasa de repetición del enlace ascendente. El dispositivo final decide si se debe usar ADR o no, no la aplicación o el servidor de red. 

¿Cómo determina el servidor de red la velocidad de datos óptima? Por favor, consulte la siguiente figura:

① El dispositivo final envía un mensaje de enlace ascendente a través de la puerta de enlace

② La puerta de enlace simplemente pasa el mensaje al servidor de red sin procesar los datos. La puerta de enlace tonta en una red LoRaWAN® solo convierte los paquetes LoRaWAN® en paquetes IP que se pueden enviar al servidor de red de forma segura a través de Internet.

③ Estos paquetes IP contienen una pequeña cantidad de metadatos sobre el tiempo de recepción y la intensidad de la señal.

④ Según la fuerza de la señal recibida, el servidor de red determina cuál debería ser el factor de dispersión apropiado, es decir, cuál debería ser la mejor velocidad de datos para el dispositivo final.

⑤ La capa MAC del servidor de red se comunica con la misma pila LoRaWAN® del dispositivo final. A continuación, se emite un comando MAC desde el servidor de red en función de la descripción general de la intensidad de la señal de todas las puertas de enlace.

⑥ La velocidad de datos que debe utilizar el dispositivo final se envía de vuelta al dispositivo desde el servidor a través de la puerta de enlace con la mejor intensidad de señal.

<El servidor de red determina SF>

1.9 Ciclo de trabajo y tiempo en el aire (tiempo de permanencia)

Cuando se envía una señal de un remitente, se tarda un cierto tiempo antes de que un receptor reciba esta señal. Este tiempo se denomina tiempo en el aire (ToA) o tiempo de permanencia. El ciclo de trabajo indica la fracción de tiempo que un recurso está ocupado.

El ciclo de trabajo es la proporción de tiempo durante el cual se opera un componente, dispositivo o sistema. El ciclo de trabajo se puede expresar como una relación o como un porcentaje.

En Europa, los ciclos de trabajo están regulados por la sección 7.2.3 de la norma ETSI EN300.220. Esta norma define las siguientes subbandas y sus ciclos de trabajo:

 

ETSI impone restricciones de ciclo de trabajo, típicamente 1%, pero no restricciones máximas de transmisión o tiempo de permanencia del canal. Europa puede utilizar todos los factores de dispersión del 7 al 12. Cualquier equipo, independientemente de su función, dispositivo final, repetidor, puerta de enlace, que transmita señales de radio en las bandas de 868 MHz debe respetar las normativas europeas sobre el ciclo de trabajo.

No hay limitaciones de ciclo de trabajo impuestas por la FCC en los Estados Unidos, pero hay un tiempo de permanencia máximo de 400 ms por canal. Las velocidades de datos son de 980 bps a 21,9 Kbps, ya que los factores de dispersión disponibles son de 7 a 10.

Otras regiones pueden tener regulaciones de ciclo de trabajo similares, así que asegúrese de consultar con su regulador nacional. Exceder estas regulaciones es punible por ley.

1.10 Pérdida de trayectoria en el espacio libre

La pérdida de trayectoria en el espacio libre es la pérdida en la intensidad de la señal de una señal a medida que viaja a través del espacio libre, por lo que representa la cantidad de energía que pierde una onda de radio dada a medida que viaja por el aire lejos de su fuente.

Se utiliza para calcular la atenuación de la intensidad de la señal entre el transceptor y el receptor. La pérdida de trayectoria de espacio libre asume que el espacio entre las dos antenas está libre de obstáculos, una trayectoria de línea de visión a través del aire. Este cálculo se puede utilizar como parte de un análisis de presupuesto de enlace más profundo al planificar el diseño de un sistema de comunicación. 

<Pérdida de trayectoria de espacio libre>

Es posible calcular la pérdida de trayectoria entre un transmisor y un receptor mediante una fórmula:

FSPL (dB) = 20log (d) + 20log (f) -147,55

Esta pérdida es relativa a 2 componentes principales:

  • d = distancia entre el nodo final y la puerta de enlace en km
  • f = frecuencia en Hz

Para aplicaciones de radio típicas, es común encontrar la distancia medida en unidades de MHz y la distancia en km , en cuyo caso la ecuación FSPL se convierte en

FSPL (dB) = 20log (D) + 20log (f) + 32,44 

Por ejemplo: f = 868MHz

* D = 0,01 km, FSPL = 32,44 + 20 log (0,01) + 20 log (868) = 51 dB

* D = 0,05 km, FSPL = 32,44 + 20 log (0,05) + 20 log (868) = 65 dB

* D = 0,10 km, FSPL = 32,44 + 20 log (0,10) + 20 log (868) = 71 dB

* D = 0,50 km, FSPL = 32,44 + 20 log (0,50) + 20 log (868) = 85 dB

* D = 1,00 km, FSPL = 32,44 + 20 log (1,00) + 20 log (868) = 91 dB

Comprender FSPL nos ayudará a comprender hasta dónde puede llegar una señal LoRa. También es ampliamente utilizado por algunas otras ondas, por ejemplo, a través de herramientas de encuesta de Wi-Fi para predecir la propagación de la señal de Wi-Fi. 

1,11 Rx Potencia

La potencia Rx es el nivel de la señal entrante que se recibe desde el dispositivo final a una distancia lejana.

Tx power indica la potencia de transmisión del dispositivo en el peor de los casos: se garantiza que el dispositivo proporcione al menos esa potencia.

La ganancia de antena indica la intensidad de la señal que una antena puede enviar o recibir en una dirección específica.

La pérdida de energía encontrada en los conectores (antenas) es la pérdida del conector.

Potencia Rx (dBm) = Potencia Tx (dBm) + Ganancias de antena Tx (dB) – Pérdidas del conector Tx (dB) + Ganancias de antena Rx (dB) – Pérdida del conector Rx (dB)

El Rx es igual a la potencia de transmisión más todas las ganancias de la antena en los lados del transmisor y del receptor, y menos todas las pérdidas del conector en ambos lados también.

<Potencia de Rx superior a la Sensibilidad de Rx>

A través de la fórmula exacta, podemos conocer el valor de la potencia de recepción final (Rx Power), que se comparará con el valor de la sensibilidad del receptor (Rx Sensitivity). El objetivo es, obviamente, que la potencia Rx debe ser más alta que la sensibilidad Rx. Si está por debajo de la sensibilidad, el mensaje se pierde en el espacio.

Por lo tanto, la sensibilidad del receptor debe ser lo suficientemente baja o el alcance debe ser lo suficientemente corto para recibir el mensaje. 

1.12 RSSI

La indicación de intensidad de la señal recibida (RSSI) es la potencia de la señal recibida en milivatios y se mide en dBm. Este valor se puede utilizar como una medida de qué tan bien un receptor puede “escuchar” una señal de un remitente.

 

El RSSI se mide en dBm y es un valor negativo. Cuanto más cerca de 0, mejor será la señal.

Los valores típicos de LoRa RSSI son:

  •  RSSI mínimo = -120dBm.
  •  Si RSSI = -30dBm: la señal es fuerte.
  •  Si RSSI = -120dBm: la señal es débil. 

·        1.13 Relación señal / ruido

  • SNR (relación señal / ruido) es la relación mínima entre la potencia de la señal deseada y el ruido que se puede demodular, es decir, es la relación entre la señal de potencia recibida y el nivel de potencia del piso de ruido.
  • El piso de ruido es un área de todas las fuentes de señales interferentes no deseadas que pueden corromper la señal transmitida y, por lo tanto, se producirán retransmisiones. 

<Señal recibida y piso de ruido>

* Si SNR es mayor que 0, la señal recibida opera por encima del piso de ruido.

* Si SNR es menor que 0, la señal recibida opera por debajo del piso de ruido.

Normalmente, el piso de ruido es el límite físico de sensibilidad, sin embargo, LoRa trabaja por debajo del nivel de ruido. 

<Nivel de potencia recibido por debajo del nivel de potencia del piso de ruido>

Los valores típicos de LoRa SNR están entre: -20dB y + 10dB. Un valor más cercano a + 10dB significa que la señal recibida está menos dañada. LoRa puede demodular señales que están entre -7,5 dB y -20 dB por debajo del piso de ruido.

Para cada factor de propagación, existe el límite de SNR, si se alcanza este límite, el receptor no podrá demodular la señal.  

<Límite SNR>

En la siguiente tabla, el límite de SNR se puede encontrar en función del factor de dispersión: 

Si el SF aumenta en 1, el límite de SNR cambia en -2,5 dB. 

Además, se deben considerar RSSI y SNR para evaluar la calidad del enlace de radio, la fuerza de la señal.

1) Se puede considerar que el enlace de radio es BUENO  cuando RSSI> -115dB y SNR> -7dB

2) El enlace de radio es  MALO  (límite de rango) cuando RSSI ≦ -120 dB o SNR ≦ -13dB

Entre estos 2 casos:

  • Si RSSI es bueno (> -115dB) pero SNR malo (≦ -13dB), significa que el entorno es muy ruidoso. 

Se debe verificar la SNR durante unos días más para asegurarse de que el enlace de radio sea lo suficientemente estable para recibir todos los mensajes.

  • Si RSSI es malo (<= – 120dB) pero SNR bueno (> -7dB), significa que el dispositivo final probablemente esté lejos de la puerta de enlace.

Tenemos que comprobar que no haya obstáculos adicionales que impidan la comunicación.

1.14 Sensibilidad Rx

La sensibilidad del receptor indica el nivel de potencia más bajo al que el receptor puede recibir o demodular la señal. Para el cálculo de la sensibilidad del receptor, requerimos el valor mínimo de SNR para que la información se pueda decodificar correctamente.

La llamada sensibilidad Rx describe la potencia mínima posible del receptor y la tolerancia al ruido térmico y se calcula con la siguiente ecuación.

Sensibilidad Rx (dBm) = -174 + 10log (BW) + Límite SNR (dB) + NF (dB)

* -174: ruido térmico en 1 Hz de ancho de banda a temperatura ambiente     

* BW: ancho de banda del canal en Hz

* Límite SNR: su límite depende del factor de propagación

* NF: factor de ruido, una medida de la degradación SNR causada por la implementación del hardware del receptor en dB. Está arreglado para una implementación de hardware determinada. (Para los chips transceptores de nodo final LoRa SX1272 y SX1276, NF es 6 dB).

La sensibilidad Rx determina la señal más débil que se puede recibir con éxito. En el lado del receptor (Rx), la sensibilidad del receptor es la cantidad que influye en el balance del enlace.

Por ejemplo, cuando el ancho de banda = 125 kHz, NF = 6dB, calculemos la sensibilidad del receptor para SF 7-12, luego obtendrá los valores como se muestra a continuación: 

Si se ponen los mismos valores en este ejemplo, cuando SF es 12, tiene la sensibilidad del receptor más baja. 

<Mayor SF / Menor Rx Sensibilidad -1>

Si la distancia entre el dispositivo final y la puerta de enlace aumenta, la señal se debilita y, por lo tanto, se necesita un factor de dispersión mayor para que una sensibilidad del receptor más baja pueda demodular la señal recibida. El factor de propagación varía de 7 cuando está cerca de una puerta de enlace y de 12 cuando está lejos de una puerta de enlace.

<Mayor SF / Menor Rx Sensibilidad-2>

1.15 Margen de enlace 

La diferencia entre la potencia del receptor (Rx Power) y la sensibilidad del receptor (Rx Sensitivity) se denomina margen de enlace.

Margen de enlace (dBm) = Potencia de recepción (dBm) – Sensibilidad de recepción (dBm)

<Ejemplo de margen de enlace>

Por ejemplo, si tenemos las siguientes condiciones,

  • Potencia Tx = 20 dBm
  • Ganancias ANT = + 10 + 12 = + 22 dBi, la intensidad de la señal aportada por las antenas bien decididas
  • Pérdidas = – 5 + (-2) = -7 dB, las pérdidas causadas por los conectores de cable
  • Pérdida de ruta = -115 dB, la pérdida de señal o la atenuación de la ruta causada por la señal se propaga a través del medio

Entonces, podemos obtener el valor de Rx Power como -80 dBm. Suponga que la sensibilidad Rx es igual a -90 dBm, luego

Margen de enlace = -80 – (-90) = + 10 dBm = 10 mW 

Si el margen del enlace es demasiado grande o demasiado pequeño, se pueden aplicar acciones correctivas para garantizar que el sistema funcione en buenas condiciones.

El margen del enlace debe ser positivo (la potencia de recepción debe ser mayor que la sensibilidad de recepción) y debe ser de al menos unos pocos dB para que el receptor demodule correctamente la señal.

Los receptores LoRa son muy sensibles y ofrecen una sensibilidad de hasta -148 dBm, debido al uso de Chirp Spread Spectrum. 

1.16 Presupuesto de enlace

Un balance de enlace (o el llamado balance de transmisión de potencia) es la suma de todas las ganancias y pérdidas desde el transmisor, a través del espacio libre, hasta el receptor en un sistema de telecomunicaciones. Es una forma de cuantificar el rendimiento del enlace o indicar la calidad de un canal de transmisión LoRa.

Utilizando un modelo simple, el balance del enlace se puede calcular sumando la potencia del transmisor (Tx), la sensibilidad del receptor (Rx), la ganancia de antena y la pérdida de trayectoria en el espacio libre (FSPL). El presupuesto de enlace de LoRaWAN® se calcula simplemente como: 

Presupuesto de enlace (dBm) = Potencia de transmisión (dBm) – Sensibilidad de recepción (dBm)

La modulación LoRa es una implementación de capa física (PHY) que proporciona una mejora significativa en el presupuesto de enlace sobre la modulación de banda estrecha convencional. Además, la robustez y selectividad mejoradas que proporciona la modulación de espectro ensanchado permite obtener una mayor distancia de transmisión.

<Ejemplo de presupuesto de enlace>

En este ejemplo, si la potencia máxima del transmisor es igual a 20 dBm, la sensibilidad más baja del receptor es igual a -148 dBm, entonces el balance máximo del enlace es 168 dBm. 

1.17 Interferencia y ruta múltiple

LoRa puede soportar el rango de cientos de kilómetros, pero eso es solo en el espacio libre. En la Tierra, hay mucha interferencia causada por la atenuación estructural, la reflexión y la difracción, así como la zona de Fresnel.

  • Atenuación estructural

Cuando la señal LoRa se transmite a través de varios materiales, como paredes y ventanas, la intensidad de la señal se ve afectada. Aunque la puerta de enlace y el dispositivo final pueden estar muy cerca, aún puede notar una interferencia de señal alta si la señal pasa a través de ciertos obstáculos. Por ejemplo, si la señal atraviesa un muro de hormigón, se debilitará gravemente. 

  • Reflexión 

Al igual que la luz visible que se refleja en las superficies, las señales LoRa también pueden rebotar en puertas metálicas, muebles, ventanas, etc. Los reflejos de las señales pueden estar en cualquier número de direcciones y estos reflejos pueden, en última instancia, interferir con la calidad de la señal misma. Este fenómeno se denomina desvanecimiento por trayectos múltiples. La señal LoRa de un transmisor puede reflejarse en múltiples copias / componentes en la ruta de propagación. El receptor recibirá múltiples copias de la señal original. Luego intentará reconstruir la señal original. Este proceso puede tener un efecto positivo o negativo, ya que varios componentes de la señal pueden enriquecer o degradar la calidad de la señal. También se puede notar un rápido cambio de frecuencia en tales condiciones.

  • Difracción

Esto se debe a que la señal de radio encuentra un obstáculo con bordes afilados o una rendija que es comparable en tamaño a su longitud de onda. Normalmente se refiere a la flexión de señales alrededor de un objeto. Los entornos al aire libre suelen presentar tales desafíos. Habrá pérdida de energía en las señales que lleguen detrás del objeto. Cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será la pérdida, ya que las longitudes de onda más bajas no alcanzarán las sombras con tanta eficacia como las longitudes de onda más altas.

  • Dispersión

La dispersión de ondas de radio ocurre cuando las señales golpean una superficie rugosa. Las señales, en lugar de reflejarse, se dispersan en muchas direcciones. La dispersión también puede ser causada por polvo, humedad, lluvia, vegetación, etc. La dispersión reduce la calidad de las señales recibidas.

1.18 Zona Fresnel

La zona de Fresnel es un cuerpo de forma elíptica alrededor de la línea de visión directa entre el nodo final y la puerta de enlace. Cualquier obstáculo dentro de este volumen, como edificios, árboles, colinas o suelo, puede debilitar la señal transmitida incluso si hay una línea de visión directa entre el nodo final y la puerta de enlace. 

<Zona Fresnel>

En las transmisiones de larga distancia, influye la curvatura terrestre. La siguiente tabla muestra la altura recomendada para la implementación de dispositivos / puertas de enlace. 

Para calcular la altura H:

  •  H = 1000 x D2 / (8 x Rearth)
  •  H = Tolerancia de altura o curvatura de la tierra en m
  •  D = Distancia entre el nodo final y la puerta de enlace en km
  •  Rearth = Radio de la Tierra en km = 8504 km 

En un entorno inalámbrico típico, no existe una línea de visión directa entre el transmisor y el receptor. De hecho, es muy fácil encontrar obstáculos en la zona de Fresnel, aquí hay algunos consejos para una mejor implementación:

  • Para obtener el mejor rendimiento de la señal de radio: la antena de la puerta de enlace debe colocarse al aire libre en una ubicación alta (evitando obstáculos en la zona de Fresnel)
  • El diseño de la antena tanto para la puerta de enlace como para los nodos finales debe optimizarse para su frecuencia regional.
  • Mantenga la polarización de la antena vertical tanto para la puerta de enlace como para los nodos finales y use la antena omnidireccional para cubrir un área grande.
1.19 Efecto Doppler 

Cuando un transmisor o un receptor se mueven entre sí, el cambio de frecuencia aparente en la señal recibida se conoce como efecto Doppler. Dependiendo del alcance de este efecto, la señal se recibe o se descarta. 

La mayoría de nosotros hemos experimentado el efecto Doppler en un escenario familiar: la bocina de un automóvil parece bajar de tono cuando pasa el vehículo que toca la bocina. Esto ocurre porque el automóvil que toca la bocina primero se mueve hacia usted y luego, a medida que pasa, se aleja de usted.

<Espectrograma de efecto Doppler>

De acuerdo con el resultado de la prueba anterior, una transmisión LoRa grabada desde el interior del vehículo (arriba) y en la puerta de enlace (abajo) para una carga útil de 50 Bytes en SF12. El vehículo pasaba por la puerta de entrada a una velocidad de 80 km / h. No se puede observar una diferencia significativa en los chirridos al comparar los dos espectrogramas. 

Por lo tanto, es ampliamente conocido que LoRa es inmune al efecto Doppler.

2. LoRaWAN

2.1 ¿Qué es LoRaWAN?

LoRaWAN® es un protocolo de red de área amplia de baja potencia (LPWAN), construido sobre la RF inalámbrica LoRa de Semtech y promovido por LoRa Alliance, que admite penetración interior profunda de largo alcance, bajo costo, móvil, de bajo consumo energético y Comunicación bidireccional segura de extremo a extremo para aplicaciones de Internet de las cosas (IoT) y máquina a máquina (M2M).

Implementada en una topología en estrella, una red basada en el protocolo abierto LoRaWAN® es perfecta para aplicaciones que requieren una comunicación de largo alcance o profunda dentro del edificio entre una gran cantidad de dispositivos que tienen bajos requisitos de energía y que recopilan pequeñas cantidades de datos.

2.2 Planes de frecuencia

La comunicación entre dispositivos finales y pasarelas se distribuye en diferentes canales de frecuencia. 

Para comprender las diferencias entre EU868 y US915, verifiquemos la diferencia cuando se unen a una red LoRaWAN®.

Al unirse a la red LoRaWAN® en Europa, el nodo final utiliza uno de los 3 canales estándar que están escuchando todas las puertas de enlace. Luego, los nodos finales se comunicarán con otros 5 canales, por lo que aquí hay un total de 8 canales. Estos 8 canales pueden configurarse en la configuración del dispositivo (configuración estática) o configurarse dinámicamente durante el proceso de unión. Los dispositivos finales respetarán el ciclo de trabajo durante las fases de comunicación restringiendo las comunicaciones por un porcentaje del tiempo total por banda de frecuencia.

El siguiente diagrama muestra las diferentes subbandas existentes en la banda ISM de 868MHz:

<Subbandas en la banda ISM de 868 MHz>

El ancho de banda es de aproximadamente 2MHz utilizado por LPWAN (incluso si la banda pudiera comenzar en 863 a 870Mhz y algunos operadores están usando el área de 867Mhz). Los canales están realmente cerrados entre sí.

Por lo tanto, LoRaWAN® en Europa usa la banda ISM de 868 MHz y define diez canales, ocho de los cuales son de velocidad de datos múltiples (250 Kbps-5.5 Kbps) más un canal fijo de 11 Kbps y un canal FSK fijo de 50 Kbps. La potencia máxima de transmisión es de +15 dBm con la excepción de la banda G3 que es de +27 dBm.

Ahora bien, ¿cuál es la situación en los EE. UU. 915? La banda US915 es en realidad una banda de frecuencia grande que comienza en 902MHz y va a 928MHz, por lo que la banda está disponible para transmisión de 26MHz. No hay restricción de ciclo de trabajo en los EE. UU., Pero también se implementa otra limitación legal similar que se llama tiempo de permanencia. Los dispositivos finales necesitan transmitir datos con esperanza de canal.

LoRaWAN® North America utiliza la banda ISM de 902-928 MHz y define sesenta y cuatro canales de enlace ascendente de 125 kHz, más ocho canales de enlace ascendente de 500 kHz, junto con ocho canales de enlace descendente de 500 kHz. La potencia de salida máxima permitida es de +30 dBm, pero normalmente los dispositivos utilizan mucho menos.

<64 canales en US915>

<Canales de enlace ascendente y descendente en US915>

No hay ciclo de trabajo en US915, pero el tiempo máximo de transmisión sobre el mismo canal es de 400 ms en un período de 20 segundos. Por esta razón, el factor de dispersión máximo en US915 puede ser solo SF10 y no SF12.

Diferencias en el perfil tecnológico regional LoRaWAN®:

2.3 Arquitectura de red

¿Cómo se ve típicamente una arquitectura de red LoRaWAN®? La arquitectura de red LoRaWAN® se implementa en una topología de estrella de estrellas en la que las puertas de enlace transmiten mensajes entre los dispositivos finales y un servidor de red central.

La red LoRa consta de varios elementos:

<Arquitectura de red LoRaWAN®>

Dispositivos finales / Nodos: son sensores que detectan el cambio en el entorno y responden a alguna salida en el otro sistema. Estos nodos a menudo se colocan de forma remota.

Gateways: a diferencia de la comunicación celular donde los dispositivos móviles están asociados con las estaciones base de servicio, en LoRaWAN® los nodos están asociados con un gateway específico. En cambio, cualquier dato transmitido por el nodo se envía a todas las puertas de enlace y cada puerta de enlace que recibe una señal transmitirá esos datos a un servidor de red.

Por lo general, las puertas de enlace y los servidores de red están conectados a través de algún back-haul (celular, Wi-Fi, Ethernet o satélite).

Servidor de red: el servidor de red tiene toda la inteligencia. Filtra los paquetes duplicados de diferentes puertas de enlace, realiza controles de seguridad y envía comandos a los nodos finales a través de las puertas de enlace. Al final, si un paquete está destinado a un servidor de aplicaciones, el servidor de red envía el paquete al servidor de aplicaciones específico.

Al utilizar este tipo de red en la que todas las puertas de enlace pueden enviar el mismo paquete al servidor de red, se elimina la necesidad de traspaso o traspaso. Esto es útil para aplicaciones de seguimiento de activos donde los activos se mueven de una ubicación a otra. 

2.4 Clases de dispositivos 

Al igual que otras redes, donde los dispositivos finales pueden tener diferentes capacidades según las clases de dispositivos, los nodos finales en la red LoRaWAN® pueden tener diferentes clases de dispositivos.

Cada clase de dispositivo es una compensación entre la latencia de la comunicación del enlace descendente de la red y la duración de la batería.

Hay tres clases bidireccionales principales manejadas por el dispositivo final:

Clase A
(A significa Todo)

Más adecuado para sensores de energía de batería.
· Son más eficientes desde el punto de vista energético y pueden tener años de duración de la batería.
· Todos los dispositivos de la red LoRaWan admiten esta clase.
· Dowlink disponible solo después de que el dispositivo final envíe el enlace ascendente.
· Usado típicamente por tapas de alcantarillas, botes de basura.

Clase B
(B significa baliza)

Dispositivos finales con ranuras de recepción programadas.
· Por lo general, los dispositivos finales están en modo de suspensión profunda.
· Levante la baliza y despiértese en un intervalo de tiempo para recibir mensajes de enlace descendente.
· Permite que la red envíe un mensaje al dispositivo final en un intervalo de tiempo fijo.
· Más consumo de energía que la clase A pero menos latencia para los mensajes de enlace descendente.
· Se puede utilizar en contadores eléctricos, contadores de agua, etc.

Clase C
(C significa continuo)

Dispositivo final con ranuras de recepción máximas.
· La ventana de recepción abierta continuamente.
· El dispositivo final está escuchando continuamente mensajes de enlace descendente, la red puede enviar comandos en cualquier momento.
· El tipo de clase de mayor consumo de energía.
· Suele funcionar con alumbrado público con fuente de alimentación.

  • Clase A: los nodos finales transmiten cuando lo necesitan y permanecen inactivos durante otros momentos. La transmisión de enlace ascendente de cada dispositivo va seguida de dos breves ventanas de recepción para las comunicaciones de enlace descendente. La primera ventana de recepción Rx1 ocurre 1 segundo después de un mensaje de enlace ascendente, y la segunda ventana de recepción Rx2 aparece 1 segundo después de la ventana Rx1. Por lo tanto, las comunicaciones de enlace descendente desde el servidor en cualquier otro momento tendrán que esperar hasta el próximo enlace ascendente programado. Los nodos finales de clase A son los de menor potencia.

<Modo Clase A>

  • Clase B: los nodos finales abren ventanas de recepción adicionales para las comunicaciones de enlace descendente periódicamente. La ventana de recepción Rx2 regresa con regularidad, lo que permite a la red enviar un mensaje de enlace descendente en un intervalo. Para que el dispositivo final abra su ventana de recepción a la hora programada, recibe una baliza sincronizada en el tiempo de la puerta de enlace. Esto permite que el servidor sepa cuándo está escuchando el dispositivo final. 

<Modo Clase B>

  • Clase C: Las ventanas siguen abriéndose, la red puede enviar mensajes de enlace descendente al nodo final en cualquier momento. Los nodos finales de clase C tienen la potencia más alta pero no tienen latencia y se controlan fácilmente. 
2.6 Seguridad

Cualquier tecnología de comunicación que se ocupe de muchos nodos conectados necesita una sólida seguridad de extremo a extremo. Las propiedades fundamentales que son compatibles con la seguridad LoRaWAN: autenticación mutua, protección de la integridad y confidencialidad.

  • La autenticación mutua se establece entre un dispositivo final LoRaWAN y la red LoRaWAN como parte del procedimiento de unión a la red. Esto asegura que solo los dispositivos autorizados se unirán a redes auténticas.
  • La protección de la integridad significa durante la transmisión que los datos no deben ser modificados o manipulados de manera no autorizada por una parte intermedia.
  • Confidencialidad: además, implementa el cifrado de extremo a extremo para las cargas útiles de las aplicaciones intercambiadas entre los dispositivos finales y los servidores de aplicaciones. Garantiza que el tráfico de la red no se haya alterado, que provenga de un dispositivo legítimo, que no sea comprensible para los espías y que no haya sido capturado y reproducido por actores deshonestos. 
2.6.1 Dos capas con AES

La seguridad es una preocupación principal para cualquier implementación masiva de IoT y LoRaWAN® lo logra implementando la seguridad en dos capas diferentes:

  • Uno para la red: utiliza una clave AES de 128 bits única para generar un código de integridad de mensajes (MIC) para cada mensaje compartido entre el dispositivo final y el servidor de red. Entonces, esta clave también se llama Clave de sesión de red (NwkSKey).
  • Uno para la aplicación: las cargas útiles siempre se cifran entre el dispositivo final y el servidor de aplicaciones. Esta es también una clave AES de 128 bits única, que también se denomina clave de sesión de aplicación (AppSKey).

Los algoritmos AES se utilizan para proporcionar autenticación e integridad de paquetes al servidor de red y cifrado de extremo a extremo al servidor de aplicaciones. Al proporcionar estos dos niveles, es posible implementar redes compartidas sin que el operador de red tenga visibilidad de los datos de carga útil del usuario.

2.6.2 Llaves de seguridad

LoRaWAN 1.0 especifica el número de claves de seguridad: NwkSKey, AppSKey y AppKey. Todas las claves tienen una longitud de 128 bits. El algoritmo utilizado para esto es AES-128.

1) Autenticación del dispositivo: cada dispositivo final está equipado con un identificador único global (DevEUI) y una clave AES única de 128 bits (AppKey) que se utilizan para autenticar el dispositivo final.

2) Integridad y confidencialidad de los datos: el tráfico de LoRaWAN se protege mediante las dos claves de sesión derivadas. Cada carga útil se cifra mediante AES-CTR y se calcula un código de integridad de mensaje (MIC) con AES-CMAC (para evitar la manipulación de paquetes). La clave de sesión de red (NwkSKey) se utiliza para verificar la autenticidad e integridad de los paquetes y para cifrar los comandos MAC de LoRaWAN y la carga útil de la aplicación.

3) Cifrado de extremo a extremo: se utiliza una clave de sesión de la aplicación (AppSKey) para cifrar y descifrar la carga útil de la aplicación.

4) Distribución de claves de sesión: se generan dos claves de sesión a partir de AppKey, que son AppSKey y NwkSKey. Estas claves se utilizarán para proteger todo el tráfico LoRaWAN.

5) DevNonce: el servidor de red registra el DevNonce recibido en el mensaje de “solicitud de unión” para evitar ataques de repetición. Entonces, cuando un atacante transmite la misma “solicitud de unión” una y otra vez que la enviada por el dispositivo final, el servidor se dará cuenta de que el DevNonce ya está en uso y el mensaje proviene de un atacante.

6) Contadores de tramas: debido a que trabajamos con un protocolo de radio, cualquiera podrá capturar y almacenar mensajes. No es posible leer estos mensajes sin AppSKey, porque están encriptados. Tampoco es posible manipularlos sin la NwkSKey, porque esto hará que la verificación del MIC falle. Sin embargo, es posible retransmitir los mensajes. Estos llamados ataques de repetición se pueden detectar y bloquear mediante contadores de tramas.

Cuando se activa un dispositivo, estos contadores de tramas (FCntUp y FCntDown) se establecen en 0. Cada vez que el dispositivo transmite un mensaje de enlace ascendente, el FCntUp se incrementa y cada vez que la red envía un mensaje de enlace descendente, el FCntDown se incrementa. Si el dispositivo o la red reciben un mensaje con un contador de tramas inferior al anterior, el mensaje se ignora.

2.7 Métodos de activación 

Los datos de LoRaWAN comienzan su vida como una transmisión de radio LoRa inalámbrica desde el dispositivo a la puerta de enlace. Allí se envía a través de un back-haul de comunicaciones (como celular, Ethernet o satélite) a un servidor de red en la nube. El servidor de red realiza las funciones necesarias antes de enviar los datos al servidor de aplicaciones apropiado para su procesamiento. Los datos se cifran a lo largo de todo el viaje, primero mediante una clave de sesión de red (NwkSKey) y luego a través de una clave de sesión de aplicación (AppSKey).

Pero, ¿de dónde vienen NwkSKey y AppSKey? Depende del método de “activación”: OTAA o ABP

2.7.1 OTAA: Activación por aire

En OTAA, un dispositivo final recibe una DevEUI, una AppEUI y una AppKey. Como mencionamos anteriormente, AppKey se usa para generar las claves de sesión, NwkSKey y AppSKey.

Para activarlo, el dispositivo envía una solicitud de unión y utiliza la respuesta de unión para derivar las claves de sesión NwkSKey y AppSKey. El dispositivo puede almacenar esas claves y continuar usándolas para comunicarse. Si se pierden o la red decide vencerlos, el dispositivo debe volver a unirse para generar nuevas claves.

<Activación OTAA> 

Pros:

  • Las claves de sesión solo se generan cuando son necesarias y no se pueden comprometer antes de la activación.
  • Si el dispositivo final debe usarse en una nueva red, se puede volver a unir para generar el nuevo conjunto de claves de seguridad, en lugar de tener que volver a programarlo.

Contras:

  • Se requiere un esquema para preprogramar cada dispositivo con una DevEUI y AppKey únicas, y la AppEUI correcta.
  • El dispositivo debe admitir la función de unión y poder almacenar claves generadas dinámicamente.
  •  
  • 7.2 ABP: Activación por personalización
  • En el proceso de ABP, el dispositivo final no necesita DevEUI, AppEUI ni AppKey, porque las claves de sesión NwkSKey y AppSKey ya están almacenadas en el dispositivo. El dispositivo debe registrarse en la red con anticipación, una vez que se enciende, se une a la red automáticamente. Cuando el dispositivo quiere iniciar una sesión, simplemente usa las claves de sesión sin pasar por un complicado procedimiento de unión como OTAA. 

<Activación ABP> 

Pros:

  • El dispositivo no necesita la capacidad ni los recursos para realizar un procedimiento de unión. Entonces APB es mucho más eficiente.
  • No es necesario ningún esquema para especificar una DevEUI o AppKey única.

Contras:

  • El esquema para generar NwkSKey y AppSKey debe garantizar que sean únicos, para evitar una violación generalizada si un solo dispositivo se ve comprometido. Y el esquema debe ser seguro para evitar que las claves sean obtenidas o derivadas por partes deshonestas.
  • Si el dispositivo se ve comprometido en cualquier momento, incluso antes de la activación, es posible que se descubran las claves.
  • La configuración de red no se puede especificar en el momento de unirse.
  • Los eventos que justifiquen un cambio de claves (por ejemplo, mudarse a una nueva red o la expiración de las claves) requieren una reprogramación del dispositivo.

Tenga en cuenta que cualquiera de los métodos puede ser tan seguro y eficaz como el otro. Pero a menos que tenga requisitos particulares, OTAA es la forma más fácil de lograr cierta seguridad y flexibilidad básicas cuando se trata de implementación. Es más probable que ABP sea útil en la etapa de creación de prototipos cuando se necesita un control total sobre los dispositivos activados.

De cualquier manera, recuerde que a menos que esté haciendo una unión OTAA antes de cada mensaje, debe mantener su contador de marcos actualizado para que los mensajes posteriores lleguen.

Glosario

EUI (Identificador único extendido): una identificación única a nivel mundial

DevEUI: dispositivo EUI, establecido por el fabricante, único por dispositivo

AppEUI: aplicación EUI: identifica la aplicación final

AppKey- Clave de aplicación: se utiliza en OTAA para generar claves de sesión

DevAddr: dirección del dispositivo: identifica un dispositivo en una red en particular.

NwkSKey: clave de sesión de red: cifra los metadatos del paquete.

AppSKey: clave de sesión de la aplicación: cifra la carga útil del paquete.

Nonce: un número que solo se usa una vez en los mensajes criptográficos

DevNonce: un nonce aleatorio enviado desde un dispositivo a la red durante una solicitud de unión para evitar que el dispositivo no autorizado vuelva a reproducir la solicitud de unión

 

 

AppNonce: un nonce enviado de la red al dispositivo durante una respuesta de unión que permite que el dispositivo genere las claves de sesión

NetID (identificador de red): identifica de forma exclusiva la red.

DLSettings – Configuración de enlace descendente – velocidades de datos que se utilizarán para recibir

RxDelay- Retraso de recepción: el tiempo entre la transmisión y la recepción

CFList: lista de frecuencias de canales: configuración de frecuencia para cada canal

dBm: la referencia es 1 mW

dBi- se refiere a la ganancia de la antena con respecto a una antena isotrópica

Canvision Systems es importadora de los productos de videovigilancia de MILESIGHT TECH  y de los productos IoT de MILESIGHT IOT.

Solicítanos información en info@2cigroup.com

 

 

*Textos e imagenes 2CIGroup y  Jessica Yao de Milesight IoT

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