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Redes LPWAN, LORA y LORAWAN

Redes de bajo consumo y velocidad con largo alcance

Redes LPWAN, LORA y LORAWAN 

 

 

    • Tipos de redes de comunicación.
    • Redes LPWAN y LORA.
    • ¿Porque las necesitamos?
    • Primera aproximación a LORA .
 

 

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¿Por qué Redes LORA?

 

Parece que el tema de la IOT (Internet of Things) esta últimamente de moda y en boca de todos. Nadie parece tener muy claro en que consiste, pero, claro, no por eso vamos a dejar de hablar y dado que estos humildes tutos pretenden empezar con el asunto (Con muy escasa autoridad), parece necesario hacer una pequeña introducción al tema, presentando algunos conceptos básicos imprescindibles y definiciones de tecnologías, que son un auténtico jeroglífico de siglas no muy bien comprendidas.

Por eso, en este capítulo vamos a empezar hablando de la tecnología LORA y LORAWAN y de porque son necesarias, o al menos de con que objetivo se han desarrollado y que problemas pretenden resolver. No se puede comprender la utilidad de una tecnología sin comprender el objetivo básico de esta, y a qué tipo de problemas se dirige principalmente, aunque poco a poco la maduración de la tecnología va proponiendo nuevos refinamientos o aplicaciones.

Así que necesitamos empezar hablando de que es lo que hace LORA que no podamos hacer con Ethernet, con WIFI o con Bluetooth y que esperamos conseguir, y para eso nos vamos a tener que adentrar en algunos problemas de las comunicaciones más o menos tradicionales y en las necesidades que no tenemos bien resueltas… y de eso va esta sesión.

Así que ponte cómodo que aquí no vamos a escribir programas C++ sino a contaros una pequeña historia y a presentar algunas ideas que llevaron al desarrollo de la tecnología LORA

 

Redes de amplio espectro LPWAN

 

Estas habituado a la tecnología WIFI y BlueTooth. Hay muchas posibilidades de que te conectes a la WIFI en casa para acceder a Internet (Y para mucha gente, WIFI e internet son sinónimos) y también usas Bluetooth para conectar tu móvil a los manos libres del coche o escuchar tu música con auriculares inalámbricos o enviar mensajes a tu smartwatch. Son dos tecnologías fiables y probadas … pero entonces ¿Por qué queremos otras tecnologías de comunicación?

Pues, básicamente porque hay problemas no resueltos con estas tecnologías. Históricamente, las redes Ethernet abrieron las puertas a la infraestructura de Internet que hoy usamos sin dedicarle un segundo al tema (Porque es transparente y funciona a la perfección) y la red global de transporte de paquetes TCPIP, que llamamos Internet es capaz de mover información a nivel global, casi sin coste y a velocidades de vértigo lo que ha permitido el florecimiento de la industria de la información, del que disfrutamos los últimos 20 años largos.

Después, el advenimiento de los terminales portátiles (También conocidos como teléfonos móviles) nos permitió acceder a internet y a su información mediante una conexión local con WIFI o a través de la red de GSM / GPRS de forma inalámbrica. Imagínate el inconveniente que supondría tener que usar un cable para enchufar tu teléfono a algo para llegar a internet.

Prácticamente, el mundo digital en que vivimos, está basado en estas tecnologías y funcionan tan bien que ni siquiera pensamos en ello porque son transparentes y muy eficaces. Pero hay aplicaciones en las que ninguna de estos modos de conexión nos sirven por diferentes razones.

Por ejemplo: Imagínate que las papeleras de tu calle o los contenedores de basura, avisasen al ayuntamiento de que están llenas. La ruta del camión de la basura se modificaría en función de la necesidad y no se vaciarían los que aún pueden esperar, en lugar de pasar todos los días en una ruta prefijada y poco eficiente (Smart cities).

¿Tendríamos que cablear todos los contenedores a una red ethernet municipal? ¿O tal vez desarrollar una red WIFI municipal para contenedores de basura y similares? Sería posible, pero caro. Y en una ciudad podríamos hacerlo, pero ¿Que pasaría con los pueblos pequeños? ¿Y con las urbanizaciones de chalets separadas por muchos metros entre las viviendas?

Es fácil ver que este tipo de problema se adapta mal a cablear, por lo lejano de los puntos y porque hacer zanjas es una cosa carísima, y porque las redes inalámbricas como WIFI o BT tiene un alcance de unos 25 m en el mejor caso, por lo que parece claro que se requiere otro tipo de solución (Las redes WIMAX, mejoran la conexión, pero tienen sus propios problemas)

Para resumir, las redes inalámbricas actuales tiene unas limitaciones importantes en cuanto a:

 
  • Poco alcance. Unas decenas de metros.
  • Mucho consumo. Algo que sufres teniendo que recargar la batería al menos a diario.
  • Caras de instalar y mantener en áreas extensas.  

Hay muchas aplicaciones, como la de los cubos de basura que hemos comentado, que requieren precisamente una gran distancia de comunicación y sobre todo muy bajo consumo para no tener que pasar con frecuencia a cambiar las baterías. Parece que necesitamos un nuevo tipo de conexión que nos resuelva la papeleta. Es aquí es donde entran en función las redes Low Power Wide Area Networks o LPWAN. Y es aquí donde surgen varios tipos de redes comerciales entre las que se cuentan Zigbee, XBEE, LORA, Sigfox etc.

Por hacer un resumen corte de las varias tecnologías de redes disponibles hoy en día, podríamos hablar de:

 
  • Redes LAN (Local Area Network) para redes locales de entre unos pocos puestos domésticos y la red interna de un edificio corporativo. Típicamente son tipo Ethernet cableadas y con acceso WIFI.
  • Redes WAN (Wide Area Network) surgen de la necesidad de las corporaciones con presencia en múltiples ciudades y pase. Típicamente con Ethernet en cada oficina con routers e infraestructura para conectar con las grandes redes internacionales.
  • Redes PAN (Personal Area Network. Nacieron con la necesidad de integra en una pequeña red personal, un único usuario, que integre teléfonos móviles, sin manos de auto, auriculares, samrt watches y demás juguetes que solemos llevar a cuestas y que típicamente se conectan mediante Bluetooth.
  • Redes LPWAN (Low Power Wide Area Network) Están pensadas para dar cobertura a todas esas cosas que se quedan fuera de los conceptos mencionados mas arriba, como redes de sensores dispersos y casi cualquier aplicación del tipo IOT, con requerimientos propios.   

En esta sesión nos vamos a concentrar en LORA y más adelante ya iremos hablando de otras

 

Redes LORA

 

LORA es una contracción de LOw RAnge network y fue desarrollada en Europa hace ya unos años y no debe ser confundida con LORAWAN (De la que hablaremos en otro momento). Aunque la tecnología básica de LORA es propietaria, la tecnología LORAWAN pertenece a una asociación abierta, sin animo de lucro, llamada  Lora Alliance cuyo objetivo es desarrollar la tecnología necesaria para lograr una red a medida de la IOT.

El objetivo fundacional de LORA es:

 
  1. Comunicación de largo alcance: entre 10 y 20 km en condiciones óptimas.
  2. Bajo consumo: La batería puede durar hasta años.
  3. Tolerancia a las interferencias.
  4. Muy alta sensibilidad.
  5. Conexiones punto a punto.
  6. Bajo coste ( Siempre importante)  

imagen de loraNaturalmente, para conseguir todo esto hay que hacer sacrificios. En concreto la velocidad de transferencia es muy baja ( 255 bps, como aquellos módems telefónicos de los 80) pero esto no es un problema para muchas aplicaciones que requieren enviar muy pocos datos de tarde en tarde y lo importante en es que se cubran distancias a bajo consumo. Piensa en extintores que avisan que están caducados, Localizadores de ganado en el campo, explotaciones agrarias, medidores de caudal remotos, estaciones meteorológicas y un largo etc.

Las comunicaciones LORA están pensadas para todo esto y permite hacer conexiones punto a punto entre los nodos para transmitir poca información,  en las que la velocidad no es importante y en cambio si lo es que la batería dure al menos un tiempo largo. Y casi siempre la comunicación es de un sensor hacia un servidor que recibe. Pocas veces es la inversa, aunque es posible.

LORA es simplemente un estándar de comunicación y transporte de mensajes por radio entre nodos iguales, pero es importante que entiendas, que no gestiona una red de transporte de alto nivel, como el IP,  solo el transporte de mensajes entre nodos.

anagrama de lorawan

LORAWAN en cambio, es un estándar público de acceso redes, que se basa en tecnología LORA, pero la amplía con encriptación, seguridad y transporte mediante Gateway a través de redes en estrella, privadas o públicas y que algunos operadores empiezan a ofrecer conexiones LORAWAN publicas mediante tarifas más o menos bajas.

 
  • Se supone que algunas de las redes 5G ofrecerán conexión LORAWAN bajo ciertas condiciones, aún por determinar, pero todo está en el aire por ahora).   

Las comunicaciones LORA son una muy buena solución para envió de información punto a punto entre nodos distantes que no requieran gran volumen de datos y no sean sensibles a baja velocidad, y que no requieran conexión a internet para consolidar datos.

Las redes LORAWAN se basan en LORA y crean ya una red de transporte en estrella, contra un Gateway central, que es quien canaliza las conexiones a internet con los servidores, pero conservando las ventajas de LORA. Por hacer un resumen con una imagen:

Esquema de capas

Por último, apuntar que LORA utiliza bandas públicas para la transmisión de datos en diferentes frecuencias según la zona:

 
  • 868 MHz en Europa.
  • 915 MHz en América.
  • 433 MHz en Asia.  

En resumen, las caracterizas de LORA la hacen ideal para la IOT a la que, como ya hemos comentado en otras ocasiones, se prevée un crecimiento explosivo en los próximos años una vez que las operadoras proporciones el acceso LORAWAN de forma amplia y comercial.

Las redes LORA nos permiten crear conexiones convenientes entre puntos, en una primera aproximación si no se requiere conexión a internet e ir haciendo crecer la red a medida de nuestras necesidades hacia redes escalables LORAWAN y conexiones externas en función de los requerimientos.

Redes LPWAN

 

Para que sirve LORA y para que no

 

Parece que hay bastante confusión con el tipo de aplicaciones que son viables con LORA y LORAWAN por lo que me ha parecido prudente hacer un pequeño resumen. LORA es ideal para transmisiones a distancia moderadamente grandes de poca información entre nodos que no requieran consolidar datos en un servidor a través de internet:

 
  • Conexiones punto a punto (No crea una red de transporte)
  • No requiere infraestructura de ningún tipo.
  • Redes de sensores y actuadores en el campo o la industria e incluso ciudades.
  • Redes privadas en puntos donde no haya servicio celular: Instalaciones agropecuarias.
  • Tracking de vehículos personas y animales.
  • Transmisión abierta de la información, la transmisión no es segura  

Por su parte LORAWAN

 
  • Crea una red de transporte MAC (Machine acces control)
  • Requiere GATEWAYS para unir nodos.
  • Permite acceder a Internet y servidores a través de una operadora o red propia.
  • Incluye encriptación segura de las comunicaciones.
  • Estandard abierto y en continu desarrollo.  

No sirven para:

 
  • Transmitir video o audio. Tiene muy baja velocidad.
  • Aplicaciones de tiempo real. No hay seguridad en la latencia de la red.
  • Para teléfono. Para eso están las redes públicas 3G, 4G y 5G.
  • Domótica, ZIGBEE WIFI y demás están mejor.
  • Para navegar o transmitir email y demás.  

 

 

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