Análisis en profundidad

LoRaWAN: qué es, para qué sirve, por qué utilizarla

El LoRaWan se trata de una tecnología con la que es posible transmitir a largas distancias utilizando muy poca energía, comparable a la de un control remoto para abrir puertas. Otras ventajas son la sencillez, el amplio rango de cobertura, la flexibilidad de la red y un rico ecosistema

11 Oct 2022

Redacción InnovaciónDigital360

LoraWan

En el año 2000 ya había 500 millones de ordenadores conectados a Internet y, menos de diez años después, el número de usuarios superaba los 2.000 millones. Esto, debido a la llegada de los smartphones y las tablets. 

De hecho, el aumento de los dispositivos conectados a la red ha allanado el camino para la conexión a Internet de cualquier objeto «hecho inteligente»: el IoT. Acrónimo de Internet de las Cosas, el IoT promete ser la nueva revolución con un CAGR (es decir, una tasa media de crecimiento anual) de alrededor del 35% y con más de 40.000 millones de dispositivos conectados a Internet previstos para 2023 en todo el mundo.

Hay que admitir que el crecimiento que se esperaba en el IoT hace unos años parece quedarse atrás. Este retraso puede explicarse en dos palabras: sostenibilidad económica. De hecho, muchas empresas han intentado aprovechar la enorme oportunidad de negocio que representa el IoT. Sin embargo, esto ha complicado los procesos de los clientes para seleccionar a los proveedores y sus soluciones. A ello se suma la extrema prudencia de esta última, que se ha hecho necesaria ante el torpe intento de algunas empresas de proponer soluciones completas pero cerradas, de las que ningún cliente final podría liberarse. 

Todo esto se complica aún más si se tiene en cuenta que se pueden utilizar numerosas tecnologías diferentes para el mismo caso de uso. De ellos, LoRaWAN parece estar creciendo a un ritmo tres veces mayor que los demás (CAGR: 110%. Veamos por qué.

El IoT explicado con un sencillo ejemplo

El ejemplo más clásico para explicar el IOT es con una silla. Un ejemplo escolástico, bastante improbable, pero que ayuda a comprenderla fácilmente. Más adelante veremos algunos más concretos. Empecemos: Decidimos «hacer inteligente» la silla en la que estamos sentados conectándola a Internet, porque queremos saber a distancia cuándo está ocupada y por quién. ¿Qué necesitamos para lograrlo?

  •     darle una identidad única para distinguirla de otras sillas;
  •     darle la capacidad de comunicarse, por ejemplo, mediante una comunicación inalámbrica (dejando de lado por conveniencia y coste la posible comunicación por cable);
  •     darle sentidos, para que sepamos, por ejemplo, que si la presión sobre la superficie de la silla aumenta, significa que nuestra silla está ocupada. Y si la persona que lo ocupa puede ser identificada, por ejemplo, por una asociación con su smartphone, también podré saber quién lo ocupa;
  •     Por último, necesito un terminal, como un PC, una tableta o un smartphone, que me permita controlar mi silla, «hecha inteligente», a distancia, esté donde esté.

Traducido a términos concretos, necesitamos insertar físicamente en nuestra silla una serie de chips que permitan los cuatro puntos mencionados anteriormente. La historia nos enseña que los chips se hacen más pequeños y más baratos con el tiempo, y por eso también podemos esperar el crecimiento de un IoT cada vez más barato. 

Pero el IoT tiene una lógica mucho más compleja que el mundo del PC, donde hay una correlación directa entre el costo del chip y el coste final del ordenador. De hecho, el IoT es, y seguirá siendo durante mucho tiempo, un traje a medida.

Tecnologías inalámbricas para el IoT

El caso de uso de la silla es sencillo: quiero saber si mi silla está ocupada y por quién. Pero es el tipo de comunicación inalámbrica entre la silla e Internet el verdadero quid de la cuestión, porque hay muchísimas tecnologías de transmisión inalámbrica: Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, Z-Wave, Anocean, 2G, 3G, 4G, 5G, NB-IoT, Sigfox, LoRaWAN, LTE-M, Wireless M-Bus… y otras. Y aquí es donde las cosas se complican. ¿Qué utilizar? ¿Cómo determinamos la elección de la tecnología?

Las comunicaciones celulares como 2G, 3G, 4G transfieren cantidades de datos medianas o grandes en un amplio rango de cobertura, es decir, en distancias de cientos de metros. Al aire libre y en la ciudad, son ciertamente indicados. Pero, ¿cuántas veces sale usted al balcón porque la señal de su teléfono móvil en casa es mala y la comunicación se interrumpe o incluso es imposible? Si mi silla fuera un banco en mi jardín, podría considerar este tipo de tecnología. Sin embargo, como mi banco tiene que señalar si está ocupado o libre y por quién, estamos hablando de una cantidad modesta de datos con un número bastante limitado de transmisiones diarias. El costo de una suscripción para una SIM dedicada únicamente al banco parece realmente desproporcionado.

Las tecnologías inalámbricas con las que estamos más familiarizados son probablemente Wi-Fi y Bluetooth, que también son adecuadas para la comunicación de cantidades de datos medianas o grandes, pero dentro de un radio de cobertura de unos pocos metros. Ciertamente, es ideal para el interior. A mi silla llegaría más fácilmente la red WiFi de casa que la celular. Además, limitaría el coste al no tener que pagar ninguna suscripción. Sin embargo, los sensores que inserto en mi silla los tengo que alimentar con una batería; no se me ocurre conectarlos a un cable de alimentación. La vida de la batería, que tengo que introducir en la silla junto con los demás chips necesarios para que la silla sea inteligente, sería limitada, lo que me obligaría a cambiar o recargar la batería con demasiada frecuencia.

Recientemente se han introducido tecnologías LPWAN (Low Power Wide Area Network), como la tecnología LoRaWAN. Esta tecnología es capaz de cubrir distancias de hasta 20 kilómetros en campo abierto, y como es ideal para transmitir una cantidad limitada de datos, permite un consumo de energía significativamente menor, lo que permite una duración de la batería de incluso más de 15 años. Resumiendo: me llega tanto la silla como el banco, es barato y me olvido de la batería. Interesante. Vamos a profundizar.

Qué es LoRaWAN

Para comprender fácilmente las ventajas de la tecnología LoRaWAN, es necesario profundizar en las principales características técnicas.

La tecnología LoRaWAN es capaz de transmitir a grandes distancias utilizando una potencia comparable a la de un control remoto común de apertura de puertas. Para simplificar, podemos decir que LoRaWAN es una tecnología con «orejas muy grandes» y, por lo tanto, capaz de escuchar «un susurro» a kilómetros de distancia, sin tener que «gritar» para ser escuchado. ¿Cómo lo hace?

Desde el punto de vista físico, se utiliza la banda de frecuencia libre de 868 MHz y una modulación radioeléctrica por la que la señal de información se transmite por una banda de frecuencia mucho más amplia de lo estrictamente necesario. Esto tiene dos efectos importantes:

  1. la posibilidad de transmitir con potencias de transmisión inferiores al umbral de ruido
  2. la de aumentar significativamente la inmunidad a las interferencias.

De hecho, lo dicho hasta ahora corresponde a la descripción de la tecnología de transmisión LoRa (Long Range), desarrollada por la francesa Cycleo y posteriormente adquirida por Semtech. LoRa se convierte en LoRaWAN cuando añadimos a la capa física la capa MAC (Media Access Control) necesaria para extender la comunicación a Internet. El protocolo LoRaWAN (LoRa for Wide Area Network) es un estándar abierto de facto apoyado por la LoRa Alliance®, una asociación sin ánimo de lucro de más de 500 empresas del sector que trabajan juntas para garantizar la interoperabilidad, la mejora de la tecnología y la difusión del amplio ecosistema asociado a esta tecnología.

Sin embargo, la Alianza LoRa sigue creciendo. Recientemente, se han sumado gigantes como Intel, Amazon y Dish.

Cómo funciona LoRaWAN

La figura 4 es una representación esquemática de la arquitectura subyacente a todas las soluciones IoT que utilizan la tecnología LoRaWAN. Los dispositivos periféricos (End Nodes) como sensores, actuadores, contadores, (la silla en nuestro ejemplo), etc., dialogan, en modo bidireccional, con los concentradores (Gateways) que se sitúan en el territorio y constituyen la red IoT LoRaWAN.
LoraWan

Los datos, procedentes de los dispositivos periféricos y recogidos por la red IoT LoRaWAN, se envían en la nube al servidor de red del operador de la red a través de una infraestructura de backhauling como la fibra óptica. El servidor de red gestiona estos datos y los proporciona al servidor de aplicaciones para que estén disponibles para el usuario final a través de la aplicación o la web.

Una de las oportunidades que ofrece la tecnología LoRaWAN es que mi silla no tiene que hablar necesariamente con una pasarela de un operador de red LoRaWAN para transferir los datos a la nube y, finalmente, hacerlos accesibles a través de mi smartphone esté donde esté. De hecho, podría utilizar una pasarela de interior (análoga al WiFi de casa), instalar un servidor de red de código abierto en mi PC y quizás desarrollar una sencilla aplicación para instalarla en mi teléfono móvil. 

La posibilidad de este IoT de bricolaje es muy parecida a la del apogeo de los ordenadores, cuando mucha gente montaba sus propios PC. Antes de que se volviera tan antieconómico que se dejara en manos de los entusiastas. Sin embargo, la posibilidad de crear sus propias redes LoRaWAN privadas es de gran importancia y, para algunas empresas, incluso estratégica.

Para garantizar la seguridad de los datos, los dispositivos periféricos transmiten los datos cifrados de forma nativa con una doble clave de cifrado. Una de las claves es utilizada por el servidor de red para entender si los datos proceden de su propio dispositivo, mientras que la segunda clave de cifrado es utilizada por el servidor de aplicaciones para gestionar los datos en claro y permitir su uso por parte del usuario final. Pero lo que más caracteriza la comunicación entre el nodo final y la pasarela es el factor de propagación.

Cuando el dispositivo periférico tiene que conectarse a la red por primera vez, transmite en SF12, es decir, con la velocidad de datos más lenta y, por tanto, con el mayor tiempo en el aire necesario para transmitir la misma cantidad de datos (carga útil), lo que le permite comunicarse en las distancias más largas. Sin embargo, en la mayoría de los casos, en presencia de una red LoRaWAN, después de que el dispositivo «haya hecho la unión», es decir, después de que empiece a comunicarse con el servidor de la red, el factor de propagación se reduce, es decir, la velocidad de transmisión aumenta, reduciendo el tiempo de transmisión y, por tanto, la energía necesaria para la transmisión. Este mecanismo de mitigación se denomina ADR (Adaptive Data Rate) que, junto con el APC (Adaptive Power Control), tiene una importancia fundamental para prolongar aún más la duración de la batería de los dispositivos, reducir el tráfico radioeléctrico y, en consecuencia, la contaminación electromagnética.

Los concentradores que componen la red LoRaWAN son básicamente objetos simples. Transmiten todos los datos de todos los dispositivos periféricos dentro de su alcance, ya sean propios o ajenos. Así, la razón para reducir el factor de propagación de un dispositivo es también garantizar que los datos de un nodo final sólo sean recogidos por la pasarela más cercana, limitando el tráfico de datos que llega al servidor de la red.

Es el servidor de red el que gestiona la red de pasarelas y los propios dispositivos periféricos, decidiendo qué factor de propagación deben tener. Pero esto sólo puede tener lugar con los propios dispositivos periféricos gestionados por el servidor de red, es decir, con todos aquellos dispositivos de los que el servidor de red posee la primera de las dos claves de cifrado. Por tanto, no se limita a la transferencia de datos desde los propios dispositivos periféricos a los servidores de aplicaciones. Por el contrario, podemos afirmar con certeza que el servidor de red desempeña un papel fundamental en toda la arquitectura. El servidor de red que recibe paquetes de datos de dispositivos ajenos no tiene más remedio que descartar todos estos datos. El servidor de la red, de hecho, en todos estos casos, al no disponer de la primera clave de cifrado, ni siquiera sabría hacia dónde dirigir estos datos.

Las ventajas de LoRaWAN

Aunque no se han proporcionado detalles, la información técnica presentada anteriormente permite comprender fácilmente todas las ventajas de la tecnología LoRaWAN.

Amplio radio de cobertura

Se anuncian récords en la distancia de comunicación entre un nodo final y una pasarela LoRaWAN en todo el mundo. ¡La última, comunicada por la comunidad de la Alianza LoRa, habla de hasta 832 km utilizando una potencia de transmisión de sólo 25 mW! En la práctica, esto reduce drásticamente el número de pasarelas por kilómetro cuadrado en comparación con una red celular. La infraestructura de la red es, por tanto, mucho más ligera que la de una red celular, lo que se traduce en unos costes de explotación considerablemente menores.

En interiores

La alta inmunidad al ruido de esta tecnología facilita el acceso a lugares «ocultos», como los contadores de agua, que suelen encontrarse en sótanos, bajo arquetas o en espacios reducidos. Este es un elemento muy importante para muchas aplicaciones de IoT. De hecho, no puedo acercar un contador de agua a la red para facilitar la comunicación como hago con mi teléfono móvil cuando no tiene señal. Es la red la que debe tener la capacidad de llegar al contador donde está.

Flexibilidad de la red

En el mercado existen pasarelas LoRaWAN tanto de exterior como de interior, lo que permite una flexibilidad en el despliegue de la red que es de suma importancia. Por ejemplo, la necesidad de distribuir el consumo de agua de un edificio de apartamentos. Actualmente, la lectura se realiza de forma manual y una vez al año. Esta actividad se considera a menudo tan molesta y costosa que el consumo de agua se prorratea por milésimas con el inevitable despilfarro de uno de los recursos más importantes. 

Por otro lado, si se sustituyeran los contadores existentes en el bloque de pisos por otros con un módulo de radio LoRaWAN, tendría la posibilidad de dotar al administrador del edificio de una herramienta que le permitiera una lectura diaria del consumo de cada bloque de pisos, sin que tuviera que moverse de su despacho. Y no solo eso, sino que tendría la posibilidad de que el propietario individual tuviera conocimiento de su propio consumo a través de una sencilla aplicación que se instalaría en su smartphone. Este caso, por supuesto, requiere que el 100% de los contadores sean accesibles, de lo contrario el administrador no podría hacer ninguna asignación de consumo de agua. Si la red del operador que ofrece estos servicios no pudiera llegar a todos los contadores, tendría que densificar la red con pasarelas adicionales. Pero esto no solo es fácilmente alcanzable, sino que también podría ocurrir con apenas una pasarela interior que cueste unas decenas de euros.

Seguridad

Como se ha descrito ampliamente, cada periférico que se fabrica tiene dos claves de encriptación que son proporcionadas por el fabricante, lo que garantiza la seguridad de los datos. Evidentemente, el proceso de asignación y suministro de las claves cuenta para garantizar la seguridad de los datos.

Simplicidad

El mecanismo de la clave de encriptación no solo garantiza la seguridad de los datos, sino que también tiene un impacto decisivo en la simplicidad de la aplicación de las soluciones sobre el terreno. ¿Has conectado alguna vez un auricular Bluetooth con tu teléfono móvil? ¿O el televisor a la red WiFi de casa? Tienes que buscar el dispositivo. Introduce una contraseña. Espera el emparejamiento. Haciendo, en definitiva, unos pasos de lo que se llama aprovisionamiento que para muchos es desagradable y complicado. El aprovisionamiento es necesario para la mayoría de las tecnologías inalámbricas. En cambio, con los sensores LoRaWAN, gracias al mecanismo de llaves y a la función de pasarela que no filtra los mensajes, puedo aplicar el sensor sin más.

Pongamos un ejemplo: para mi propia tranquilidad en casa, compro un sensor de puerta a un operador de LoRaWAN que también podría proporcionarme la aplicación para instalarla en mi smartphone y ver si he cerrado o no la puerta principal cuando me voy de vacaciones. Una vez que reciba el sensor en casa, podré colocarlo yo mismo en la puerta sin tener que hacer nada más. Es decir, sin necesidad de un técnico para la instalación o el aprovisionamiento.

Larga duración de las baterías

Uno de los aspectos negativos que señalan quienes han implantado soluciones de hogar inteligente con otras tecnologías es precisamente la necesidad de sustituir las baterías de los sensores. Por otro lado, el sensor de puerta considerado en el ejemplo anterior, con tecnología LoRaWAN, gracias a las características señaladas anteriormente, puede requerir la sustitución de la batería incluso después de 15 años.

Rico ecosistema

En 2019 ya había más de 100 millones de dispositivos periféricos LoRaWAN desarrollados en todo el mundo. No solo es notable el número de empresas que forman parte de la Alianza LoRa, sino también el número de fabricantes de sensores y pasarelas, así como de operadores. Un ecosistema extremadamente rico y en crecimiento que garantiza una sana competencia y una amplia oferta.

Sin bloqueo

Por último, al ser un estándar abierto de facto, el usuario final tiene la garantía de no estar atado a un operador. Podrá optar por cambiar de operador sin tener que cambiar de dispositivo o infraestructura. Se trata de una gran ventaja en el entorno del IoT, en el que los procesos de normalización tienen dificultades para avanzar

Por Di Marcello Marino, IoT business development manager Unidata

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