¿Qué es LoRaWAN y para qué se utiliza?

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Creo que antes de responder qué es LoraWAN debería haber hecho un post sobre qué es LoRa. Y posiblemente antes de hablar de LoRa debería haber escrito algo sobre comunicaciones inalámbricas. Sin embargo, he decidido escribir todo eso en este post, ya que considero que no considero que tenga la experiencia necesaria en el área de telecomunicaciones para hacer un post sobre los temas que he mencionado.

En este post compartiré con ustedes los pocos conocimientos que he logrado absorber en el área de telecomunicaciones. Mi área de especialidad es Ingeniería Electromecánica, pero conforme he avanzado en mi carrera me ha tocado aprender sobre electrónica y protocolos de comunicación, tanto alambrados como inalámbricos. LoRa es un protocolo de comunicación inalámbrica que se ha vuelto muy popular en los últimos años en proyectos de Internet de las Cosas.

LoRa (Long Range) es una tecnología relativamente nueva (desarrollada aproximadamente desde el año 2012) que permite enviar datos de manera inalámbrica entre dispositivos transceptores, es decir, circuitos eléctrónicos con capacidad de enviar y recibir información. Esta tecnología hace uso de las bandas de bandas inferiores a 1 GHz, principalmente 433 MHz, 868 MHz y 915 MHz, dependiendo del país en el que se esté utilizando. Se caracteriza principalmente por ser una tecnología que permite enviar datos a través de largas distancias (hasta 10 kM), utilizando poca energía y aplicando algoritmos  de seguridad para proteger los datos que se transmiten. Esto hace que esta tecnología sea muy popular en la implementación de sistemas de sensores distribuidos en zonas de difícil acceso.

Basándose en la tecnología LoRa nace en 2015 el LoRa Alliance, una alianza de empresas dedicadas a negocios dentro del paradigma de IoT que decidieron unificar esfuerzos para promover y apoyar el estándar LoRaWAN, el cual es un protocolo de control de acceso a medios (MAC) para redes de área amplia.

Dicho de manera mucho más simple: LoRaWAN es algo muy similar al WiFi en cuanto a concepto, pero a la vez son completamente distintos. El concepto del WiFi es algo que casi todos entendemos hoy en día: un dispositivo conectado a Internet (router) emite una señal de radio que permite que todos los dispositivos con capacidad de conectarse a una red de WiFi (computadoras, celulares, televisores, etc) tengan acceso a Internet, todo de manera inalámbrica.

LoRaWAN funciona de manera similar: un concentrador (gateway) crea una red inalámbrica a la que cualquier dispositivo con un transceptor de LoRa (nodo) se puede conectar y compartir información. Este gateway está conectado a Internet, por lo que los nodos que estén dentro del área de cobertura del gateway podrán enviar y recibir datos de Internet, tal como tu computadora o tu celular lo hacen a través del router de WiFi.

Sin embargo, aparte de las similitudes antes mencionadas entre el WiFi y LoRa, prácticamente todo lo demás es distinto. El WiFi opera a altas frecuencias en comparación con LoRa. Normalmente las redes de WiFi trabajan en 2.4 GHz y en 5.0 GHz, mientras que LoRa utiliza frecuencias en el orden de los Mega Hertz (433, 868 y 915 MHz, dependiendo del país). Ambas tecnologías, WiFi y LoRa hacen uso de las bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical), que no son más que frecuencias de uso libre que pueden ser utilizadas sin necesidad de adquirir una licencia en la gran mayoría de los países del mundo.

Al utilizar una frecuencia más baja, el alcance de una red LoRaWAN es mucho mayor que una red de WiFi. Cuando se utiliza la tecnología LoRa se habla de un alcance de kilómetros, mientras que las redes de WiFi a las que estamos acostumbrados tienen un alcance en el orden de metros (todos alguna vez nos hemos topado con lugares en los que «no llega el WiFi»). Entonces ustedes dirán… remplacemos la tecnología WiFi por LoRa para deshacernos del problema del alcance de la señal de WiFi. ¿Lógico, no? Pues no. No funciona así.

LoRaWAN es una tecnología utilizada para transmitir pequeñas cantidades de información. Y aunque la bidireccionalidad es una posibilidad, se prefiere utilizar LoRa para aplicaciones en las que se envía datos desde un nodo hacia el gateway. Con LoRa no se puede lograr que un nodo pueda navegar por Internet, descargar ficheros, ver Netflix… para eso existe el WiFi o las redes celulares (GPRS/3G/LTE). LoRa se usa para aplicaciones de bajo consumo de energía y amplio rango de cobertura.

Piensa en, por ejemplo, sensores de CO2 instalados en medio de la selva. Imagina que se instalen sensores en árboles o en cualquier lugar dentro de un área boscosa, donde es imperativo que los sensores puedan captar datos durante meses o años, sin que se gaste la batería. LoRaWAN sería una gran alternativa para un proyecto de ese tipo, donde con un gateway apropiado sería posible cubrir varios kilómetros a la redonda desde un punto determinado. Todos los nodos transmitirían las lecturas de los sensores, aún cuando la separación de estos sea de un par de kilómetros. Se dice que en áreas rurales la cobertura de LoRaWAN puede alcanzar los 10 kilómetros (3 a 5 kM en áreas urbanas).

Dicho esto, voy a resumir las ventajas y desventajas de esta tecnología.

Ventajas de LoraWAN
  • Seguridad: codificación de 128 bits de extremo a extremo. La información viaja encriptada y no habrá riesgo de robo de datos.
  • Bajo costo: se trata de una tecnología relativamente barata en comparación a opciones similares
  • Amplio tango de cobertura: al hablar de LoRa y LoRaWAN se habla de rangos de cobertura de varios kilómetros.
  • Bajo consumo de energía: bajo las condiciones adecuadas, un dispositivo conectado a una batería podría enviar datos durante años sin que la batería se descargue.
  • Bajo nivel de complejidad a nivel técnico: Los nodos de LoRa están formados por dispositivos transceptores que cuentan con interfaces de comunicación que les permiten ser utilizados junto con un microcontrolador, tal como Arduino. De esta forma se aprovecha las ventajas y características de los dispositivos basados en sistemas embebidos, con los que es muy sencillo resolver la parte de captura y almacenamiento de datos. Con LoRa simplemente se le solicita los datos al microcontrolador y se envían a través del aire al gateway que se encargará de subir los datos a Internet.
  • Cobertura en todas partes: se pueden enviar datos a través de LoraWAN siempre y cuando te encuentres cerca de un gateway de LoRaWAN. Hay miles de ellos alrededor del mundo.

La siguiente imagen muestra un mapa con los gateway de LoRaWAN que se encuentran registrados, instalados y en funcionamiento alrededor del mundo.

Gateways de LoRaWAN registrados en The Things Network

Este mapa lo pueden encontrar en la página de The Things Network que es una de las empresas líderes a nivel del mundo, miembro y contribuidor de The Lora Alliance. De eso hablaremos más adelante.

Cada globo azul en el mapa representa un gateway activo de LoRaWAN, por lo que si tienes un nodo de LoRa instalado dentro del rango de cobertura de esos gateways, podrás enviar datos a Internet a través del servidor de The Things Network. Esto es el concepto principal detrás del paradigma de Internet de Las Cosas (IoT).

¿Qué es Internet de Las Cosas? es un concepto relativamente nuevo con el cual se busca que los objetos a nuestro alrededor tengan acceso a Internet. Piensa en tu televisor, tu refrigerador, electrodomésticos y otras cosas más. El propósito de esto es recolectar de cada equipo para hacer investigaciones sobre patrones de uso y cualquier cosa que se nos ocurra.

Una de las aplicaciones en las que más se ha estado trabajando en cuando a IoT es en la captura de datos a partir de sensores. Se instalan sensores de humedad, temperatura, luminosidad, calidad de aire, etc. y se envía la información de las lecturas de cada sensor a Internet. El uso final de los datos puede ser cualquiera, pero la posibilitad de recoger esa información y enviarla a un servidor web de manera automática, sin asistencia por parte de un ser humano, es uno de los propósitos que se persigue al hablar de IoT.

Desventajas y limitaciones de LoraWAN
      • Datos en tiempo real: LoraWAN se utiliza para enviar paquetes pequeños de datos cada cierto tiempo. Normalmente se envían unos cuantos bytes, una vez cada tantos minutos. Una vez por minuto, cuando mucho.
      • Llamadas telefónicas y envío de información multimedia: no. Claro que no.
      • Controlar cosas (encendido de luces, por ejemplo): Aunque es posible, no se recomienda. Se prefiere que el flujo de información sea en una sola dirección, desde los nodos hacia el gateway. Aunque la comunicación puede ser bidireccional, no se recomienda. Y en todo caso, el control no podría hacerse de manera instantánea, específicamente por la latencia de la red. Hay convenios de uso que sugieren a los usuarios el no enviar más de 10 mensajes a un nodo por día (véase Fair Access Policy).
      • Tamaño y frecuencia de Uplinks y Downlinks: se le llama Uplink al proceso de envío de datos desde los nodos hacia el gateway y Downlink al proceso contrario. Tanto los uplinks como los downlinks deben ser precisos y concisos, lo más pequeños posible. Ni siquiera se recomienda que los datos sean enviados como texto plano o en formato JSON, ya que esto requeriría utilizar demasiados bytes para darle un formato al mensaje. En cambio es recomendable codificar los datos en formato binario para lograr comprimir la información y mantener el payload (mensaje) lo más pequeño posible. Los datos deben ser enviados cada cierta cantidad de minutos, tomando en cuenta que entre más alta sea la frecuencia de transmisión de datos se tendrá que utilizar más energía (menos tiempo de uso de batería) y el proceso de hace más complicado. También existe un Fair Access Policy que sugiere a los usuarios no sobrepasar ciertos límites de uso.
      • Imposibilidad de transmitir y recibir datos de manera simultánea: hasta el día de hoy, los gateways no tienen la capacidad de enviar un downlink a un nodo mientras se recibe un uplink. Es decir, para transmitir algo hay que dejar de recibir información. Y esto, por supuesto, limita la cantidad de nodos que puede manejar un sistema. Mientras un gateway le envía información a un nodo, ningún otro nodo podrá comunicarse con el gateway y entonces tendremos problemas relacionados a datos que nunca llegan a su destino.
      • Cobertura en todas partes: Sí, esto fue mencionado también como una ventaja. La cobertura de los gateway de LoRaWAN es una ventaja en aquellos lugares en los que hay gateways instalados. Sin embargo, esto es un problema en los lugares en los que no hay gateways. Un ejemplo de esto es mi país, Panamá.

        Gateways de LoraWAN activos y registrados en The Things Network en Panamá

    Al día de hoy, en el mes de octubre del año 2019, en Panamá hay solamente un solo gateway activo y registrado en el mapa de The Things Network. Este gateway ha sido adquirido por nosotros en Panama Hitek y se ha registrado e instalado en la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Tecnológica de Panamá. En el resto del país no hay nodos registrados en TTN, por lo que quien quiera trabajar con LoRaWAN tendrá que comprar su propio gateway. Estos gateways no son baratos (el de nosotros, un gateway «indoors», costó más de 110 dólares en Los Estados Unidos) y esto, por supuesto, es una limitante importante para muchos usuarios.

Hablemos sobre la «Fair Access Policy»

Las bandas de frecuencia ISM no son libres para ser utilizadas como nos de la gana. Existen regulaciones que impiden utilizar las redes ISM por encima de cierto ciclo de trabajo. Cada gobierno de cada país establece sus propias regulaciones, pero de forma general se utiliza el 1% como una cifra de referencia para el uso de las bandas ISM, específicamente aquellas utilizadas por LoRa (433 MHz, 868 MHz y 915 MHz). Esto significa que un dispositivo está limitado a utilizar cualquiera de estas bandas de frecuencia durante un 1% del tiempo. Esto es, 36 segundos por cada hora.

En The Things Network proponen algo llamado Fair Access Policy, donde básicamente se propone que los dispositivos no envíen datos durante más de 30 segundos por día, y que los gateway no envíen más de 10 mensajes por día hacia cualquier nodo. Esto incluye la confirmación de recepción de mensajes (sí, con LoRaWAN se puede recibir un mensaje de vuelta confirmando la recepción de datos).

El uso de la red, la cantidad de datos que se puedan enviar y la frecuencia con la que se envían los datos, el spreading factor, la distancia entre los nodos y el gateway, el formato y la codificación de los datos… todos son factores a tomar en cuenta.

Sobre esto podemos concluir que LoRa y especialmente LoRaWAN no son tecnologías que puedan ser utilizadas para todos los casos en los que necesitemos comunicación inalámbrica. El surgimiento de esta tecnología obedece un propósito, el cual ha sido establecido con base en las características, las ventajas y desventajas de las redes ISM. Si hay algo que ha hecho que LoRaWAN haya evolucionado en los últimos 4 años hasta lo que es hoy ha sido el apoyo de los miembros del LoRa Alliance. Este grupo penaliza a los miembros que caigan en malas prácticas y, como se menciona en la página de TTN, a cualquier miembro del LoRa Alliance que caiga en malas prácticas se le revocará su membresía y podría enfrentar cargos por mal uso de las bandas ISM, reguladas por la ley de cada país.

¿Por qué LoRa/LoRaWAN se ha vuelto tan popular?

LoRa/LoRaWAN poco a poco se ha abierto su propio camino entre las tecnologías de vanguardia.  Con todas las ventajas que ya hemos mencionado aquí podemos asegurar la recolección de datos de múltiples dispositivos dentro de un área geográfica amplia y con la certeza de que las baterías de cada nodo nos permitirán capturar datos durante meses (quizás años), dado el bajo consumo de energía a la hora de transmitir los datos (especialmente si se compara esta tecnología con otras de alto consumo de energía como WiFi, Xbee o la propia red celular). La seguridad tampoco será un problema, y si vivimos en una zona en la cual hay múltiples gateways instalados, nuestra área de cobertura y la confiabilidad de nuestro sistema estará más que garantizada.

Otra de las principales razones por las que esta tecnología se ha vuelto tan popular es la facilidad con la que se puede construir una implementación de LoRa. Esta tecnología es perfectamente compatible con otros recursos disponibles en el mercado, tales como sistemas embebidos (Arduino y similares) y sistemas de computación single board (Raspberry y similares). En el mercado existe una gran variedad de módulos transceptores que emplean protocolos de comunicación tales como SPI e I2C, lo cual abre la posibilidad de usar estos módulos a la par de cualquier placa de desarrollo basada en sistemas embebidos.

Nodo de LoRa, compuesto por un Arduino, un sensor de humedad y temperatura y un transceptor de LoRa. Este arreglo tiene la capacidad, en teoría, de enviar datos de manera inalámbrica a través de unos cuantos de kilómetros y durante algunos meses, estando conectado a un par de baterías doble A

El Movimiento Maker ha crecido muchísimo en los últimos 10 años, principalmente por el surgimiento de Arduino y Raspberry. Estas plataformas cuentan con una enorme cantidad de recursos de hardware disponibles en el mercado y con soluciones de software desarrolladas y compartidas por miles de entusiastas alrededor del mundo. Los módulos de LoRa ahora forman parte de esos recursos de hardware a disposición de los Makers, con características que permiten satisfacer necesidades de los desarrolladores que han sido un problema durante años (área de cobertura y consumo den energía, principalmente). Para muchos LoRa les ha caído como anillo al dedo, y la enorme aceptación de esta tecnología en los últimos años la han convertido en una de las opciones por excelencia para  IoT.

Es cierto que existen ciertas limitaciones sobre el uso de este recurso, pero para la mayoría de los proyectos de sensado remoto de variables, las limitaciones de LoRa no representan un inconveniente. Muchas veces no es necesario enviar datos más de una vez cada 10 minutos, y en estos proyectos difícilmente se requiere implementar técnicas de control.

En este artículo he obviado una gran cantidad de conceptos y definiciones, con el único propósito de mantenerlo simple. Si te gustaría conocer más a fondo esta tecnología, junto con detalles sobre funcionamiento, implementaciones e información en general, te invito a visitar la página oficial de The Things Networks o a la propia LoRa Alliance.  En Internet existe una gran cantidad de documentación sobre el uso de esta tecnología, incluyendo artículos sobre módulos de hardware, librerías de software y proyectos documentados completamente funcionales.

Por mi parte, en los próximos meses estaré trabajando bastante con LoRa/LoRaWAN en algunos proyectos para los cuales esta tecnología resulta de mucho interés. Trataré de compartir con ustedes los conocimientos y las destrezas que espero desarrollar, tal como he tratado de hacer con gran parte de los proyectos en los que he trabajado en los últimos años. Por ahora, espero que este artículo sea de utilidad para ustedes.

 

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