LoRa frente a LoRaWAN: la evolución de la tecnología LoRa
La LoRa Alliance® comenzó en 2015 para apoyar la adopción global del estándar LoRaWAN. El término LoRaWAN se refiere a una red de área amplia de baja potencia que controla cómo se comunica la señal LoRa de los sensores a través de la red. LoRa significa largo alcance y utiliza la técnica de modulación radioeléctrica de espectro ensanchado. La modulación LoRa fue iniciada en 2010 por la empresa francesa Cycleo para codificar datos en ondas de radio y posteriormente fue adquirida por Semtech.
¿Qué es LoRa?
Explicación de LoRa
Desarrollado originalmente para añadir capacidades de comunicación inalámbrica al sector de la medición de servicios públicos, el protocolo LoRa opera en un espectro radioeléctrico sin licencia con velocidades de transmisión de datos de hasta 253 kB/s y es muy apreciado por su capacidad para enviar pequeñas cantidades de datos a largas distancias con un consumo de energía extraordinariamente bajo.
¿Qué es LoRaWAN?
La tecnología LoRaWAN consiste en un protocolo de red de área amplia y bajo consumo integrado en la modulación LoRa, útil para garantizar comunicaciones bidireccionales fiables IoT . El protocolo LoRaWAN proporciona cifrado de extremo a extremo para ofrecer funciones de seguridad avanzadas a escala. Con alcances de LoRaWAN de hasta 16 kilómetros, esta tecnología ofrece una opción más económica que las tecnologías celulares en zonas remotas.
Cómo funcionan LoRa y LoRaWAN en IoT
En la modulación LoRa, una señal chirp extiende el espectro de la señal. Al aumentar la frecuencia del chirp, la señal se extiende por una gama de frecuencias que le permite viajar más lejos sin errores. Como resultado, el protocolo de comunicación LoRa resiste las interferencias de la señal. Esto hace que LoRa sea especialmente útil para zonas urbanas y suburbanas donde las interferencias de señal se producen con frecuencia.
Arquitectura LoRaWAN
¿Cómo funciona LoRa?
LoRa utiliza una técnica propia de modulación de espectro ensanchado basada en la tecnología Chirp-Spread Spectrum. Por ejemplo, los dispositivos IoT que se encuentran cerca de una pasarela utilizan una velocidad de transmisión con un factor de dispersión bajo, mientras que los que se encuentran a varios kilómetros de distancia utilizan un factor de dispersión más alto. Transmitidos al mismo tiempo y en la misma frecuencia, estos factores de dispersión ortogonales no interfieren entre sí, adaptándose a los requisitos de potencia y velocidad de datos de los dispositivos finales.
¿Cómo funciona LoRaWAN?
Las redes LoRaWAN aprovechan las características de LoRa mediante una topología en estrella en la que las pasarelas retransmiten mensajes bidireccionales entre los sensores y un servidor. Por su diseño, las redes LoRaWAN requieren una energía mínima para enviar paquetes de datos extremadamente pequeños, ya que los datos se transmiten sólo periódicamente en lugar de continuamente. Mejor aún, en las redes LoRaWAN, una pasarela puede soportar hasta 10.000 dispositivos, lo que hace que las redes escalables sean tan sencillas como añadir pasarelas adicionales, al tiempo que se mantienen bajas las inversiones de capital y operativas.
Ventajas de LoRaWAN en IoT
Para muchas aplicaciones de IoT , las redes LoRaWAN ofrecen varias ventajas claras sobre las tecnologías de comunicaciones inalámbricas de la competencia. Cuando se compara LoRa con Wi-Fi, redes celulares y Bluetooth® Low Energy, estas otras soluciones proporcionan un gran ancho de banda o una gran potencia, pero no pueden funcionar eficazmente en interiores profundos. LoRa en las redes IoT gestiona con flexibilidad el ancho de banda, la potencia, el alcance, la seguridad y la escalabilidad para que funcionen bien con los requisitos de IoT . Según las estimaciones de ABI Research, LoRaWAN será la tecnología de red de área extensa de baja potencia no celular más implantada en 2026.
Ventajas de las redes LoRaWAN
- Escalabilidad: Admite millones de mensajes por pasarela, por lo que la escalabilidad es tan sencilla como añadir pasarelas adicionales.
- Seguridad: El cifrado de extremo a extremo AES-128 integrado y la autenticación avanzada garantizan una transmisión de datos segura en cualquier despliegue masivo de IoT .
- Eficiencia de la batería: La transmisión de pequeños paquetes de datos unas pocas veces al día en lugar de de forma continua permite que las baterías de los dispositivos duren muchos años sin ser sustituidas.
- Largo alcance: LoRaWAN proporciona una profunda cobertura en interiores, incluyendo varios pisos y un diseño de red de topología en estrella para maximizar el alcance de transmisión que muchas industrias requieren.
- Bajo coste: Los nodos finales de bajo coste, la infraestructura mínima y el software de código abierto contribuyen a que LoRaWAN sea una solución de bajo coste.
Aplicaciones habituales de las comunicaciones de largo alcance
La tecnología LoRa ofrece una combinación única de cualidades que añaden utilidad y valor a una amplia gama de industrias y sectores. Desde la agricultura y la fabricación hasta la vigilancia medioambiental y la logística, la combinación de redes seguras, escalables y de bajo coste proporciona comunicación bidireccional en muchos entornos diferentes.
- Agricultura inteligente: La obtención de datos de sensores conectados a campos y animales permite a los agricultores actuar con rapidez para identificar y corregir plagas y enfermedades.
- Edificios inteligentes: Los contadores inteligentes en el interior de los edificios ayudan a los gestores a optimizar la gestión de la iluminación y la temperatura y a reducir el consumo de energía.
- Industrial IoT: La supervisión de la maquinaria, las alertas de seguridad y el seguimiento de los activos permiten a los operadores responder con mayor rapidez o incluso antes de que se produzca un incidente.
- Fabricación: Los fabricantes premian la tecnología LoRa por su capacidad para permitir el mantenimiento predictivo en muchas fábricas
- Logística: LoRaWAN proporciona el equilibrio perfecto para numerosas comunicaciones de sensores en lugares como almacenes y patios de equipos sin problemas de interferencias de radiofrecuencia.
- Vigilancia medioambiental: En combinación con las comunicaciones por satélite, LoRaWAN permite monitorizar sensores para todo, desde la detección de humo en bosques remotos hasta las temperaturas oceánicas en boyas.
- Petróleo y gas: Para cumplir los requisitos normativos, las empresas de petróleo y gas utilizan la tecnología LoRaWAN para controlar las emisiones de las operaciones de los pozos
Características principales del protocolo LoRaWAN
Debido a sus requisitos de energía adaptable, alcance y seguridad, LoRaWAN se encuentra entre los protocolos de red de área amplia de bajo consumo más ampliamente adoptados. Por su diseño, las redes LoRaWAN permiten la comunicación bidireccional a larga distancia y ahorran energía al permitir que los dispositivos finales se enciendan solo cuando se comunican con la pasarela. De hecho, en comparación con las soluciones celulares LTE, LoRaWAN ofrece el mismo o mayor alcance a un precio inferior. Dado que el software LoRaWAN adopta licencias de código abierto, las organizaciones pueden desarrollar sus propias soluciones LoRaWAN sin necesidad de licencia o recurrir a un socio de confianza que pueda construir su red a medida.
Otras características clave son:
- Geolocalización: Sin necesidad de GPS, LoRaWAN proporciona una geolocalización precisa incluso en interiores
- Actualizaciones por aire: Las actualizaciones del firmware y de las aplicaciones se pueden enviar por aire
- Itinerancia: LoRaWAN proporciona una transferencia fluida de una red a otra
Características principales de LoRaWAN
Ancho de banda
El ancho de banda LoRa consigue una baja eficiencia energética dividiendo los datos en "chirps" y transmitiéndolos a diferentes velocidades o frecuencias. Esta modulación Chirp Spread Spectrum aumenta el ancho de banda de la señal transmitida, lo que compensa la degradación de la relación señal/ruido y varía la velocidad de datos para mejorar la cobertura y equilibrar el consumo de energía. De este modo, las transmisiones se vuelven resistentes al desvanecimiento multitrayecto sin aumentar la demanda de potencia.
Baja potencia
Los dispositivos LoRaWAN de clase A ofrecen una de las mejores opciones para LPWAN. La tecnología más comparable es NB-IoT , que utiliza 4 veces más energía que LoRaWAN para un ancho de banda y una cobertura similares. LoRaWAN reduce la necesidad de grandes baterías y sistemas de alimentación que elevan el coste de los productos.
Gama
El alcance sigue siendo una de las características más notables de las redes LoRa. En 2023, un pesquero portugués contactó con una pasarela en las Islas Canarias a 830 millas de distancia, batiendo un nuevo récord mundial de alcance. Aunque se trata de un logro fenomenal, la mayoría de las instalaciones de redes LoRa se comunican a un máximo de diez millas. El alcance depende de muchos factores, como la ubicación de la pasarela en interiores o exteriores y el tipo de antena utilizada. En entornos urbanos con una pasarela exterior, la cobertura puede limitarse a unos tres kilómetros. En zonas rurales, la cobertura puede extenderse hasta 16 kilómetros dependiendo de los obstáculos del entorno, incluidos los edificios.
Frecuencia
Las primeras redes de comunicación inalámbrica IoT solían depender de redes celulares en el espectro con licencia, lo que añadía costes de licencia, un alcance limitado e interferencias de ruido. Con LoRaWAN, los casos de uso de las aplicaciones IoT se basan en el espectro de frecuencias sin licencia. Las ondas de radio LoRa en el rango de 400 a 900 MHz admiten velocidades de datos bajas de entre 0,3 y 50 kB/s y conectan equipos distantes hasta un alcance de 16 kilómetros para despliegues LoRaWAN de bajo coste.
Bandas de frecuencia LoRa sin licencia:
- 915 MHz para Norteamérica
- 868 MHz para Europa
- 433 MHz para Asia
Módulos y dispositivos LoRa
Basados en chips de Semtech, los módulos Lora incluyen pequeños chips transceptores inalámbricos integrados o autónomos valorados por su bajo consumo y alta sensibilidad. De hecho, estos módulos han contribuido al desarrollo de LoRa porque pueden soportar millones de comunicaciones de dispositivos alimentados por batería directamente con un servidor durante muchos años sin necesidad de sustituir la batería. Por ejemplo, cuando un dispositivo LoRa transmite datos, utiliza el módulo LoRa, que convierte los datos para su transmisión inalámbrica. A continuación, estos datos se envían a una pasarela LoRaWAN. Cuando un dispositivo necesita datos, la pasarela los transmite al módulo LoRa, que los traduce para el dispositivo final. Para aprovechar aún más los módulos LoRa, es necesario tener instalada la pila de software LoRaWAN en el módulo. Esto permite a los módulos conectarse a pasarelas LoRaWAN, servidores de red y aplicaciones. Así pues, recuerde que LoRa equivale a comunicación punto a punto o nodo a nodo; LoRaWAN optimiza las capacidades de LoRa para permitir que miles de dispositivos se conecten a una única pasarela.
Arquitectura de red LoRaWAN
Un despliegue de red LoRaWAN utiliza una topología en estrella, que suele constar de unos pocos elementos centrales. Los dispositivos LoRaWAN, como los detectores de humo y los contadores de agua, se conectan a una pasarela que gestiona la mensajería de numerosos dispositivos finales y reenvía los datos del mensajero LoRaWAN a un servidor de red. Las pasarelas se conectan al servidor de red mediante un backhaul como la telefonía móvil, Wi-Fi o Ethernet. El software LoRa gestiona la modulación y demodulación en la pasarela y el dispositivo. El software LoRaWAN permite que muchos dispositivos se comuniquen con una única pasarela y formen una red. Un servidor de aplicaciones procesa de forma segura todos los datos de aplicación de los dispositivos, que luego pueden alimentar el aprendizaje automático y la inteligencia artificial para ayudar al mantenimiento predictivo y la optimización de procesos. Consulte el diagrama de arquitectura en Cómo funcionan LoRa y LoRaWAN en IoT.
Seguridad en la comunicación LoRa
Las medidas de seguridad de LoRa cumplen por diseño los requisitos específicos de la red IoT . Para empezar, cada dispositivo LoRaWAN incluye una clave única Advanced Encryption Standard (AES) y un identificador único global como parte del proceso de autenticación del dispositivo. El protocolo LoRaWAN utiliza seguridad de dos capas que separa las capas de aplicación y de red. La autenticación mutua de los dispositivos finales garantiza que sólo los dispositivos autorizados puedan unirse a la red LoRaWAN. La transmisión de datos se protege mediante mecanismos que impiden que dispositivos no autorizados modifiquen los datos.
Mecanismos de cifrado LoRaWAN
Las redes LoRaWAN emplean el cifrado de extremo a extremo para los datos de aplicaciones compartidos entre los dispositivos finales y los servidores de aplicaciones. De hecho, LoRaWAN sigue siendo una de las únicas redes IoT que utiliza este tipo de cifrado. En las redes celulares tradicionales, los datos se cifran a través de una interfaz aérea, pero se transmiten como texto sin formato en la red central. Como resultado, los usuarios finales de las redes celulares deben desplegar ellos mismos capas de seguridad adicionales.
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