​Explicando LoRaWan

A partir de principios de la década de 1990, la conexión a internet comenzó como un camino directo y simple. Hoy en día, las cosas han avanzado y se han vuelto más complejas, pero también más capaces. En lugar de una única conexión ethernet a internet, los microcontroladores y otros dispositivos pueden conectarse a través de una larga lista de protocolos: Bluetooth, WiFi, BLE, ZigBee, 3G, 4G, 5G, NFC, RFID, SigFox, DigiMesh, Thread, y 6LoWPAN para nombrar algunos. Cada una de estas conexiones juega un papel valioso para la conexión de dispositivos y la transmisión de datos, pero un protocolo emergente que nos gustaría destacar es LoRaWan.

Al igual que los mencionados anteriormente, LoRaWAN es una red de conexión inalámbrica para la comunicación de datos a internet. LoRaWan se está diferenciando rápidamente a medida que se hace conocido y se adapta a aplicaciones de IoT (Internet de las Cosas) que requieren conectividad de largo alcance y bajo consumo de energía a internet sin WiFi. LoRaWan es una gran respuesta para sensores o dispositivos remotos alimentados por batería que se comunican a largas distancias o en lugares remotos. En términos simples, los paquetes de datos se envían, cuando es necesario, a través de largas distancias al gateway más cercano y disponible, que reenvía dichos paquetes de datos al servidor para almacenamiento, computación o visualización.

Para familiarizarnos más con LoRaWAN, volvamos a 2009 cuando el precursor de LoRaWAN llamado LPWAN comenzó en Francia:

LPWAN es la red acumulativa que abarca LoRaWAN. Por lo tanto, las dos no son sinónimos, sino que son dos redes separadas. LPWAN llegó primero, y luego adoptó varias redes que cada una tuvo su propia historia única. Algunas de estas redes adoptadas incluyen AlarmNet (que más tarde fue adquirida por Honeywell), la red 2G y LoRaWAN, que fue creada por un grupo llamado la Alianza LoRa en 2014 y se encuentra entre los protocolos líderes y favoritos para dispositivos conectados.

Nota: Se ha incluido una lista de términos y definiciones comunes al final de esta publicación como un Glosario.

Usando la infografía anterior, los sensores que se conectan a internet se denominan dispositivos-finales. Cada vez que el sensor toma una lectura, el dispositivo envía condicionalmente una señal (paquete de datos) que los gateways capturan. Ahora, esos datos en el gateway utilizan FSK (Frequency Shift Keying) para transmitir esos datos de la manera más eficiente posible al servidor utilizando un proceso llamado Chirp Spread Spectrum (CSS). A medida que el paquete de datos del dispositivo final entra en la circuitería del gateway, llega en "chirps", o símbolos que representan información digital (como se muestra a continuación). El chirp se descompone en el dominio de frecuencia y luego se convierte en una señal modulada para un transporte de datos eficiente.

El hardware de LoRa, después de convertir la señal de entrada al dominio de frecuencia, busca dentro de la banda de frecuencia otros mejores canales de frecuencia que puedan llevar la señal. Una vez que el gateway encuentra uno, todo este proceso modula la frecuencia de la señal de entrada para hacerla más eficiente en términos de energía, y luego "desplaza" (de ahí la "S" en FSK) la señal a ese canal para una rápida transmisión de datos.
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Los dispositivos finales y los gateways interactúan continuamente entre sí para que la transmisión de datos pueda "saltar" a otros canales de frecuencia que mejor se adapten a la potencia, velocidad, ciclo de trabajo y restricciones de rango del sistema.

Durante esta modulación de frecuencia, otros circuitos integrados dentro del gateway de LoRa realizan otras modulaciones de "mejora", como filtrar el ruido, o la irregularidad que se ve en una señal.

Otra razón por la cual LoRaWAN es una red de bajo consumo y largo alcance es gracias a un proceso llamado ADR (Adaptive Data Rate). Así como el proceso FSK "desplaza" la frecuencia de la señal de entrada para aumentar la eficiencia, ADR "comunica" con el servidor de la red LoRaWAN para aumentar la tasa de datos. Así es como se realiza la "comunicación" entre el dispositivo y el servidor:

Después de que los gateways reciben e interpretan un paquete de datos utilizando la tecnología LoRa, el gateway reenvía los datos al servidor de la red a través de conexiones IP estándar, como Ethernet o 3G. Si el servidor de la red recibe el mismo paquete de datos de varios gateways, solo procesará uno de ellos y descartará las copias. Por lo tanto, si el servidor recibe tres del mismo paquete de datos, porque el cubo de basura está conectado a tres gateways en nuestra ilustración, solo uno de estos paquetes de datos será procesado, lo que resulta en una transferencia de datos altamente precisa y muy eficiente.
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Compensaciones

Como en toda aplicación de ingeniería, hay compensaciones en el mundo de LoRaWAN cuando se trata de potencia, velocidad y rango. Este simple diagrama a continuación muestra los puntos de consideración.

Aumentar el tiempo del bit de datos -------> reduce la tasa de datos -------> menor velocidad

Disminuir el tiempo del bit de datos -------> aumenta la tasa de datos -------> mayor velocidad

Aumentar el rango y reducir la potencia -------> menor velocidad

Aumentar el rango y acelerar la velocidad --------> requiere mayor potencia

Aumentar la velocidad y reducir la potencia-------> menor rango

Bandas de Frecuencia

LoRaWAN utiliza frecuencias de radio más bajas a un rango más largo, y las bandas de frecuencia difieren entre países.

LoRaWAN categoriza sus dispositivos finales en tres clases diferentes para abordar las diferentes necesidades reflejadas en la amplia gama de aplicaciones.
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​Clase A:

La primera línea en el diagrama es el proceso cronológico del proceso de uplink/downlink del dispositivo final de clase A. Primero, envía una señal de uplink, espera, luego abre la primera ventana de recepción; espera de nuevo, luego abre una segunda ventana de recepción. Las siguientes dos líneas demuestran la recepción exitosa de una señal de downlink después de que las señales de downlink son capturadas por la ventana de recepción. La última línea demuestra la recepción no exitosa de una señal de downlink porque no es capturada por el dispositivo final en ninguna ventana de recepción.

​Clase B:

Clase C:

Para participar en una red LoRaWAN, cada dispositivo final debe ser personalizado y activado. La funcionalidad de este proceso se resume en estos pasos:

Si el paso 7 es exitoso, OTAA se ha completado.

Bajo ciertas circunstancias, los dispositivos finales pueden ser activados por personalización. La activación por personalización vincula directamente un dispositivo final a una red específica, eludiendo el procedimiento de solicitud de unión - aceptación de unión. Así, a diferencia de OTAA, el DevAddr y las dos claves de sesión NwkSKey y AppSKey se almacenan directamente en el dispositivo final en lugar de DevEUI, AppEUI y AppKey. Simplemente, el dispositivo final ya está equipado con la información requerida para participar en una red LoRa específica cuando se inicia.

La ventaja de ABP es que es fácil conectarse a la red porque el dispositivo puede hacerse operativo en poco tiempo, lo que es muy adecuado para ciertas aplicaciones. La desventaja es que las claves de cifrado que permiten la comunicación con la red están preconfiguradas en el dispositivo, lo que debilita la seguridad.
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Conectar un dispositivo final a Ubidots con OTAA es muy simple. Una vez que tengas tu dispositivo final configurado y conectado de forma inalámbrica a tu cuenta de Ubidots, todo lo que necesitas hacer es hacer clic en el botón "Habilitar LoRa" en tu panel de control. ¿No ves el botón LoRa? Hazle saber al equipo de soporte de Ubidots a través del canal de chat en la aplicación y un miembro del equipo de soporte solicitará que tu cuenta de Ubidots para Empresas sea habilitada para LoRa.
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Ingresa el AppEUI, AppKey y DevEUI para activar tu dispositivo LoRa con Ubidots. La forma en que adquieres estos tres elementos depende de tu aplicación. Por ejemplo, si estás programando tu dispositivo final, como un PyCom LoPy, con un código que conecta Ubidots a él, puedes solicitar al código que te dé estos tres elementos. Consulta este tutorial para aprender más.

Para resumir, los puntos clave de LoRaWan son:

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Consulta esta sección para definiciones de términos técnicos que te ayudarán a entender LoRaWAN. Para tu conveniencia, estas palabras estarán en negrita en el tutorial cuando se utilicen.

Tasa de datos adaptativa (ADR): mecanismo para optimizar tasas de datos, tiempo de aire y consumo de energía en la red.

AppEUI: es un ID de aplicación global que aborda el espacio y identifica de manera única al proveedor de la aplicación (propietario) del dispositivo final.

AppKey: una clave de aplicación AES-128 específica para el dispositivo final que es asignada por el propietario de la aplicación. La AppKey se utiliza para derivar las claves de sesión NwkSKey y AppSKey específicas para ese dispositivo final para cifrar y verificar la comunicación de red y los datos de la aplicación.

AppSKey: es utilizada tanto por el servidor de la red como por el dispositivo final para cifrar y descifrar el campo de carga útil de los mensajes de datos específicos de la aplicación.

Banda: un rango de frecuencias con una frecuencia mínima y máxima específica.

Ancho de banda: mide cuánto dato puede ser enviado a través de una conexión específica en un tiempo dado (sinónimo de tasa de datos).

Chirp Spread Spectrum: un tipo de tecnología de modulación que es responsable de la fiabilidad de la transmisión así como del bajo consumo de energía.

Nube: una plataforma diseñada para almacenar y procesar datos de IoT. La plataforma está construida para procesar volúmenes masivos de datos generados por dispositivos, sensores, sitios web, aplicaciones, clientes y socios e iniciar acciones para respuestas en tiempo real.

Tasa de datos: la cantidad de datos digitales que se mueven de un lugar a otro en un tiempo dado; puede verse como la velocidad de viaje de una cantidad dada de datos de un lugar a otro, basada en cuán amplio es el ancho de banda.

DevAddr: contiene un identificador de red (NwkID) para separar direcciones de redes territorialmente superpuestas de diferentes operadores de red y para remediar problemas de roaming. También contiene una dirección de red (NwkAddr) del dispositivo final.

DevEUI: un espacio de dirección ID de dispositivo final global que identifica de manera única al dispositivo final.
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​DevNonce: un valor aleatorio asociado con un dispositivo final. Si un dispositivo final intenta conectarse al servidor con un valor de DevNonce que ya ha utilizado anteriormente, el servidor ignorará la solicitud, previniendo una catástrofe del sistema conocida como ataques de repetición.
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​Downlink: el enlace (conexión) de un satélite a una estación terrestre. La frecuencia de las señales de downlink tiende a ser más amplia para cubrir un área grande en la tierra y proporcionar tantos servicios como sea posible.

Ciclo de trabajo: el porcentaje de la relación de la duración del pulso, o ancho de pulso (PW) al período total (T) de la forma de onda. Ciclo de trabajo = PW/T * 100%

Aquí hay un diagrama para ayudarte a visualizar mejor qué es un ciclo de trabajo:

Dispositivo final/Nodo/Punto final: un dispositivo de hardware de computadora capaz de conectarse a Internet. El término puede referirse a computadoras de escritorio, laptops, teléfonos inteligentes, tabletas, clientes ligeros, impresoras, o literalmente cualquier objeto que pueda conectarse a internet.

Canal de frecuencia: cuando una banda es canalizada, eso significa que hay frecuencias discretas específicas que un dispositivo (como una radio) utilizará y transmitirá datos. En lugar de elegir aleatoriamente frecuencias al azar para usar dentro de la banda, un dispositivo o red se ceñirá a un cierto tamaño de paso para aumentar la eficiencia y evitar desperdiciar espacios entre diferentes frecuencias. Por ejemplo, para una banda de 28-29 MHz, 3 diferentes canales de 100KHz podrían ser 28.1 MHz, 28.2 MHz, 28.3 MHz, etc.

Front-end: los usuarios (como un ser humano, o un programa) interactúan directamente con la aplicación.

LoRa: una tecnología de modulación de radio de espectro expandido por chirp (CSS) propietaria para LPWAN utilizada por LoRaWAN. LoRa es la capa física, LoRaWAN es la red.

LoRaWAN (Red de Área Amplia de Largo Alcance): un protocolo de capa de control de acceso a medios (MAC) para gestionar la comunicación entre gateways LPWAN y dispositivos de nodo final, mantenido por la Alianza LoRa.

LPWAN (Red de Área Amplia de Bajo Consumo): una tecnología de red inalámbrica de área amplia que está especializada en interconectar dispositivos con conectividad de bajo ancho de banda, enfocándose en el rango y la eficiencia energética.

NwkSKey: es utilizada tanto por el servidor de la red como por el dispositivo final para calcular y verificar el MIC (código de integridad del mensaje) de todos los mensajes de datos para asegurar la integridad de los datos.
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​Rendimiento: una medida de cuántas unidades de información un sistema puede procesar en un tiempo dado.

Uplink: el enlace (conexión) de una estación terrestre a un satélite. En aplicaciones de IoT, las señales deben cruzar la atmósfera donde la atenuación es inevitable (por ejemplo, por la lluvia). Para evitar tanta atenuación como sea posible, las estaciones en la tierra aumentan sus señales de uplink con más potencia para que la frecuencia sea más estrecha (para que la señal pueda "encajar" a través de obstrucciones en el entorno). Por lo tanto, las señales de uplink generalmente tienen frecuencias más altas que las señales de downlink.