Las redes de área amplia de baja potencia (LPWAN) definen una categoría de tecnologías de comunicación inalámbrica. Estas tecnologías suelen ofrecer un rango de enlace de uno o más kilómetros, mientras que un solo elemento de infraestructura (a menudo llamado puerta de enlace) es capaz de soportar cientos de miles de dispositivos como sensores y actuadores. Por lo tanto, las tecnologías LPWAN permiten aplicaciones de Internet de las cosas (IoT), como ciudades inteligentes, por medio de una infraestructura de bajo costo y baja complejidad.
Entre las tecnologías LPWAN, LoRaWAN (y su modulación relacionada, LoRa), es quizás la tecnología que ha atraído la atención debido a la disponibilidad pública de sus especificaciones, la disponibilidad de hardware certificado y el hecho de que la comunicación LoRaWAN se puede habilitar sin necesidad de establecer una relación con un operador. Los dispositivos LoRaWAN, como sensores o actuadores, generalmente funcionan con baterías, lo cual le da ventajas a la hora de su implementación en lugares donde no hay disponibilidad de red eléctrica, como por ejemplo zonas de cultivo de alimentos.
LoRaWAN es una tecnología de comunicación inalámbrica diseñada para lograr un largo alcance con un bajo consumo de energía, basada en un sistema de radio de un solo salto. Este enfoque permite superar algunos problemas importantes relacionados con la complejidad de la implementación y los protocolos de enrutamiento de baja energía. Por otro lado, LoRaWAN presenta limitaciones de comunicación, lo que puede limitar la idoneidad de esta tecnología para aplicaciones IoT presentes y futuras.
Una red LoRaWAN se basa en una topología de estrella de estrellas compuesta por tres elementos básicos: dispositivos finales, puertas de enlace y un servidor de red central. Los dispositivos finales, que pueden corresponder, por ejemplo, a sensores o actuadores, se comunican con el servidor de red a través de una o más puertas de enlace, mientras que el servidor de red envía mensajes a los dispositivos finales a través de una puerta de enlace específica (Figura 1). Los dispositivos finales utilizan la capa física de LoRa para intercambiar mensajes con la puerta de enlace, mientras que la puerta de enlace y el servidor de red se comunican a través de una pila de protocolos basada en IP (Figura 2).
LoRAWAN proporciona cifrado de extremo a extremo e integridad de datos. Las cargas útiles de la capa superior se cifran mediante una clave de sesión de aplicación, que proporciona confidencialidad. Por otro lado, LoRAWAN proporciona cifrado de extremo a extremo e integridad de datos. Las cargas útiles de la capa superior son manuales, se usa una clave de sesión de red para proporcionar integridad de datos sobre la carga útil de texto cifrado y se cifra mediante una clave de sesión de aplicación, que proporciona confidencialidad. En el otro subconjunto de campos de encabezado.
La especificación LoRaWAN define tres clases de funcionalidad: Clase A, Clase B y Clase C. La Clase A debe ser implementada por todos los dispositivos LoRaWAN y también se conoce como LoRaWAN básica. La clase A permite la comunicación bidireccional entre un dispositivo final y el servidor de red, que el dispositivo final programa según sus necesidades. En esta clase de funcionalidad, la transmisión de enlace descendente (es decir, desde la red servidor al dispositivo final) solo puede ocurrir después de una transmisión de enlace ascendente (es decir, desde el dispositivo final al servidor de red). La clase B se basa en la clase A; sin embargo, admite oportunidades adicionales de transmisión de enlace descendente en momentos preprogramados.
Por otro lado, la Clase C permite la transmisión de enlace descendente en cualquier momento, excepto cuando el dispositivo final está transmitiendo. Los dispositivos finales de Clase C consumen más energía para operar, pero ofrecen la latencia más baja, en comparación con los dispositivos finales de Clase A y Clase B. Tanto la Clase B como la Clase C son opcionales y, en consecuencia, no suelen ser compatibles con los dispositivos LoRaWAN.
Un dispositivo final utiliza un canal de frecuencia diferente para cada transmisión de mensajes, siguiendo una secuencia de canales pseudoaleatorios. Este procedimiento hace que la comunicación sea robusta frente a interferencias u otras deficiencias de propagación de radio (p. ej., trayectos múltiples, etc.).
Características de la tecnología LoRaWAN
- Comunicación de largo alcance hasta 16 km con línea de visión (sin obstáculos entre Tx y Rx).
- Batería de larga duración de hasta 10 años. Para una mayor duración de la batería, puede operar sus dispositivos en modo clase A o clase B, lo que requiere una mayor latencia de enlace descendente.
- Bajo costo para dispositivos y mantenimiento.
- Espectro de radio sin licencia, pero se aplican regulaciones específicas de la región.
- Baja potencia pero tiene un tamaño de carga útil limitado de 51 bytes a 241 bytes dependiendo de la tasa de datos. La velocidad de datos puede ser de 0,3 Kbit/s a 27 Kbit/s con un tamaño máximo de carga útil de 222.
Capa física de LoRaWAN
La modulación LoRa y la codificación por desplazamiento de frecuencia gaussiana (GFSK) proporcionan el soporte de transmisión física para la comunicación entre el dispositivo final y la puerta de enlace. La modulación LoRa se basa en el mecanismo de espectro ensanchado. Cada símbolo de LoRa se compone de 2 elevado a la SF variaciones de frecuencia, donde SF representa el factor de propagación correspondiente. El uso de seis SF ortogonales en el rango de 7 a 12, que proporcionan diferentes velocidades de datos (DR), da como resultado una mejor eficiencia espectral y una mayor capacidad de red. Los módems LoRa también usan la corrección de errores de reenvío, lo que agrega una pequeña sobrecarga al mensaje transmitido, que proporciona características de recuperación contra la corrupción de bits. Esto se implementa a través de diferentes Tasas de Codificación (CR), de 4/5 a 4/8 (denotadas CR = 1 a CR = 4, respectivamente).
Por otro lado, para evitar problemas relacionados con la deriva del oscilador de referencia de cristal, se aplica un mecanismo de optimización de baja velocidad de datos, que agrega una pequeña sobrecarga para aumentar la robustez a la variación de frecuencia en la escala de tiempo del mensaje LoRa. Esto se hace para SF = 11 y SF = 12. Los índices de referencia para cada tasa de datos (DR) y el factor de dispersión (SF) correspondiente, la configuración de modulación, ancho de banda y la tasa de bits física resultante se muestran en la Figura 3, que también incluye los detalles para DR6 y DR7 opcionales.
La funcionalidad LoRaWAN de clase A se centra en el dispositivo final, que tiene la función principal en los intercambios de mensajes: el dispositivo final inicia todas las transacciones, mientras que el servidor de red solo puede transmitir en una de las dos ranuras de enlace descendente, llamadas ventanas de recepción (RX1 y RX2, en la Figura 4), abierto por el dispositivo final, luego de una transmisión de enlace ascendente anterior. Por lo tanto, cualquier mensaje que el servidor de red deba transmitir después de RX2 debe esperar hasta que se envíe la siguiente ventana de recepción.
Formato de mensaje MAC
LoRaWAN define un conjunto de tipos de mensajes MAC que se transmiten como carga útil de un mensaje de capa física (es decir, se transportan en el campo Carga útil PHY). Se definen tres tipos básicos de mensajes MAC: (i) el mensaje Incorporación; (ii) el mensaje de Datos Confirmados y (iii) el mensaje de Datos No Confirmados. El formato de un mensaje MAC (Figura 5). El mensaje MAC comprende: (i) el encabezado MAC (MHDR), que indica el tipo de mensaje MAC; (ii) la carga útil MAC, que puede transportar datos de la aplicación o un mensaje Join; y (iii) el Código de integridad del mensaje (MIC), que permite a un receptor verificar la integridad de un mensaje MAC recibido. Por otro lado, los mensajes de datos pueden transportar comandos MAC en la carga útil de la trama (FRM Payload), que también pueden transportarse en el encabezado de la trama (FHDR), según el valor de FPort. Los comandos MAC están destinados a configurar los parámetros de la capa de radio y MAC. Un subcampo importante en el FHDR es un bit que permite reconocer el último mensaje de datos confirmados recibido.
Procedimiento de transmisión y retransmisión
Cuando un dispositivo final transmite un mensaje de datos confirmados de enlace ascendente, espera recibir un mensaje de reconocimiento de enlace descendente en una de las siguientes dos ventanas de recepción. Si no se recibe la confirmación, el dispositivo final retransmite el mismo mensaje hasta que se recibe una confirmación o hasta que se alcanza un número máximo de intentos de transmisión de capa MAC para el mensaje (el número predeterminado recomendado es 8). Cada intento de transmisión se realiza en un canal diferente, que se selecciona aleatoriamente de los canales disponibles en la subbanda utilizada. Se recomienda que el DR a utilizar siga las siguientes reglas. El primer y segundo intento de transmisión de un mensaje confirmado se realizan utilizando el mismo DR, el tercero y el cuarto intento utilizan la siguiente velocidad de datos más baja (o DR0 si fue el DR utilizado anteriormente), y así sucesivamente, hasta el octavo intento de transmisión. . Después de 8 intentos de transmisión del mismo mensaje confirmado sin acuse de recibo, la capa MAC debería devolver un código de error a la capa superior (es decir, la capa de aplicación). Cada retransmisión se inicia después de un tiempo de espera de reconocimiento (ACK_TIMEOUT ), que se inicia a la hora de inicio de la última segunda ventana de recepción y se define como un retraso aleatorio entre 1 y 3 segundos, de forma predeterminada.
Las hojas de datos de diversos fabricantes proporcionan datos de consumo de corriente en los dispositivos LoRa/LoRaWAN. Algunos de estos datos de consumo de corriente se muestran en la figura 6, donde se encuentran los diferentes estados de los dispositivos: suspensión, transmisión y recepción. La corriente de reposo varía de 7,66 µA a 34 mA (o entre 30,9 µA y 3,4 mA excluyendo los dispositivos personalizados y solo LoRa). La corriente de reposo para las plataformas de hardware consideradas es hasta varios órdenes de magnitud mayor que la de sus transceptores (Figura 7), que puede estar cerca o incluso por debajo de 1 µA. Una conclusión importante es que los nodos LoRa/ LoRaWAN actuales están lejos del grado de optimización que exhiben las plataformas que utilizan otras tecnologías de bajo consumo. Por ejemplo, los dispositivos comerciales IEEE 802.15.4 y Bluetooth Low Energy (BLE) cuentan con una corriente de reposo cercana a 1 µA. Por lo tanto, para lograr cifras atractivas de vida útil de los nodos (por ejemplo, en el orden de los años), los nodos LoRaWAN actuales necesitan baterías con mayor capacidad que las típicas pilas de botón, por ejemplo, de tipo AA
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