# Sesión 3: LoRa/LoRaWAN ## ¿Qué es LoRa? LoRa (Long Range) es una tecnología de comunicación inalámbrica que combina un consumo de energía ultra bajo con un rango efectivo de largo alcance. Dependiendo del entorno y las posibles obstrucciones, LoRa suele tener un alcance entre 13 y 15 km, lo que significa que una sola puerta de enlace LoRa puede proporcionar cobertura para una amplia superficie o llegar a puntos remotos, con mucha interferencia o atenuación. ## Idoneidad de LoRa en IoT La comunicación es una parte fundamental de cualquier proyecto de IoT. Muchas tecnologías de comunicación existentes no son totalmente adecuadas para las aplicaciones de IoT debido a problemas como el consumo de energía, la cobertura o el ancho de banda. LoRa surge como una solución a estas limitaciones, proporcionando un medio de comunicación de bajo consumo, con un largo alcance, seguro y fácil de desplegar. ## Características de LoRa ### Técnica de Modulación LoRa LoRa, que significa "long range" (largo alcance), utiliza una técnica de modulación única conocida como "Chirp Spread Spectrum" (CSS), que permite una comunicación a larga distancia y de bajo consumo de energía. Esta técnica ha sido utilizada durante mucho tiempo en aplicaciones de comunicación militar y espacial, pero LoRa es la primera aplicación comercial de bajo costo de esta técnica. La modulación CSS en LoRa es resistente a la interferencia de señales y al desvanecimiento multipath, lo cual es un problema significativo para otras tecnologías de comunicación inalámbrica. En la modulación CSS, la señal de datos se dispersa en el dominio de la frecuencia mediante la multiplicación con un chirrido, y luego se modula a la portadora de radiofrecuencia. Durante la recepción, la señal de RF es demodulada y se realiza una correlación cruzada con el chirrido para recuperar la señal de datos. La modulación CSS de LoRa tiene varias ventajas clave en entornos de alta interferencia o de baja señal: 1. **Tolerancia al Doppler y al desvanecimiento de trayecto múltiple (multipath):** Los chirridos son lineales en la frecuencia y en el tiempo, lo que los hace resistentes a los efectos del desplazamiento de frecuencia debido al efecto Doppler y al desvanecimiento de trayecto múltiple. Esto permite que la señal se mantenga intacta y sea decodificable incluso en condiciones de alta movilidad o entornos urbanos complejos. 2. **Capacidad de "escuchar por debajo del ruido":** Los receptores LoRa pueden recibir con éxito señales incluso cuando están por debajo del nivel de ruido, es decir, con un cociente señal-ruido (SNR) negativo. Esto se debe a la ganancia de procesamiento proporcionada por la correlación cruzada de la señal recibida con el chirrido en el receptor, lo que amplía enormemente la cobertura de una red LoRa. 3. **Resistencia a la interferencia:** Los chirridos son ortogonales entre sí, lo que significa que un chirrido no puede ser confundido con otro. Esto permite a LoRa utilizar múltiples "Factores de propagación" (Spreading Factors, SF) para transmitir simultáneamente múltiples señales a diferentes tasas de datos en el mismo canal sin interferir entre sí. Los Spreading Factors más altos son más resistentes al ruido, pero requieren más tiempo para transmitir una cantidad dada de datos. 4. **Eficiencia energética:** La modulación CSS permite a los dispositivos LoRa transmitir datos a larga distancia con un consumo de energía muy bajo. Esto es crucial para las aplicaciones de IoT, donde los dispositivos a menudo funcionan con baterías y pueden estar ubicados en lugares difíciles. ### Frecuencia La tecnología LoRa, aunque es agnóstica a la frecuencia, utiliza bandas de radiofrecuencia sub-GHz no licenciadas disponibles en todo el mundo para la comunicación entre radios LoRa. Estas frecuencias varían de una región a otra e incluso pueden diferir entre países. Por ejemplo, la frecuencia de 868MHz se utiliza comúnmente para las comunicaciones LoRa en Europa, mientras que en América del Norte se utiliza la de 915MHz. Independientemente de la frecuencia, LoRa se puede utilizar sin ninguna variación importante en la tecnología. Los operadores de redes LoRaWAN pueden elegir la banda de frecuencia que mejor se adapte a sus necesidades y a las regulaciones locales. Algunas bandas de frecuencia proporcionan un alcance más largo pero una menor capacidad de datos, mientras que otras ofrecen una mayor capacidad de datos pero un alcance más corto. La elección de la banda de frecuencia también puede afectar a otros aspectos, como la penetración en edificios y la resistencia a la interferencia. ### Tasa de Datos Adaptativa **Factor de expansión (SF-Spreading Factor):** El SF es una medida de la expansión del código de las señales LoRa y puede variar entre SF7 y SF12. Un SF más alto significa que la señal se "expande" más, lo que aumenta la sensibilidad del enlace y, por tanto, el alcance de la transmisión. Sin embargo, también aumenta el tiempo de transmisión del aire, lo que reduce la tasa de datos y consume más energía. Por el contrario, un SF más bajo reduce la sensibilidad del enlace, lo que disminuye el alcance, pero permite una tasa de datos más alta y un tiempo de transmisión del aire más corto. **Ancho de banda:** El ancho de banda es la cantidad de espectro que se utiliza para la transmisión de la señal. LoRa puede operar con varios anchos de banda, como 125 kHz, 250 kHz y 500 kHz. Un ancho de banda más alto permite una tasa de datos más alta, lo que puede reducir el tiempo de transmisión del aire y, por tanto, el consumo de energía. Sin embargo, también reduce la sensibilidad del enlace, lo que puede disminuir el alcance de la transmisión. **Combinaciones de SF y ancho de banda:** Las diferentes combinaciones de SF y ancho de banda permiten a los usuarios optimizar la comunicación LoRa para diferentes escenarios de aplicación. Aquí hay algunos ejemplos: 1. **SF7 y 500 kHz de ancho de banda:** Esta combinación ofrece la tasa de datos más alta posible con LoRa (aproximadamente 50 kbps), lo que es útil para aplicaciones que requieren una gran cantidad de datos pero tienen un alcance limitado, como la telemetría en un edificio. 2. **SF12 y 125 kHz de ancho de banda:** Esta combinación ofrece el mayor alcance posible pero con la tasa de datos más baja (menos de 300 bps). Es útil para aplicaciones que requieren un alcance máximo y un consumo de energía mínimo, como los sensores de campo en la agricultura. 3. **Combinaciones intermedias:** Las combinaciones de SF y ancho de banda intermedias proporcionan un equilibrio entre el alcance y la tasa de datos, lo que puede ser útil para aplicaciones como los contadores de agua o electricidad en una ciudad. La elección de la combinación de SF y ancho de banda correcta depende en gran medida del escenario de aplicación y de los requisitos de rendimiento de la red. Además, en una red LoRaWAN, el servidor de red puede ajustar dinámicamente estos parámetros para cada nodo utilizando la función de tasa de datos adaptativa (ADR), lo que permite optimizar el rendimiento de la red en función de las condiciones de enlace cambiantes. ## Diferencia entre LoRa y LoRaWAN Aunque a veces se confunden, LoRa y LoRaWAN representan dos aspectos distintos del mismo sistema. Basado en el modelo de referencia OSI, LoRaWAN corresponde al protocolo de acceso al medio para la red de comunicación, mientras que LoRa corresponde a la capa física. Así, LoRaWAN define el protocolo de comunicación y la arquitectura del sistema para la red, mientras que la arquitectura LoRa permite el enlace de comunicación de largo alcance. Ambos se combinan para proporcionar la funcionalidad que determina la vida útil de la batería de un nodo, la capacidad de la red, la calidad del servicio, la seguridad y otras aplicaciones atendidas por la red. ## Características de LoRaWAN ### Introducción a LoRaWAN LoRaWAN es un estándar de red de área amplia de baja potencia (LPWAN, por sus siglas en inglés) diseñado específicamente para aplicaciones de IoT que requieren una cobertura de largo alcance, un consumo de energía ultra bajo y una alta capacidad de red. LoRaWAN se basa en la tecnología LoRa, que proporciona una comunicación inalámbrica de largo alcance y bajo consumo de energía. La tecnología LoRaWAN se ha convertido en una opción popular para las aplicaciones de IoT debido a sus características distintivas y su capacidad para soportar una amplia gama de casos de uso. Algunas de las características clave de LoRaWAN incluyen: - **Cobertura de largo alcance:** LoRaWAN permite la comunicación a distancias de varios kilómetros en áreas urbanas y hasta decenas de kilómetros en áreas rurales. Esto hace que sea adecuado para aplicaciones que requieren cobertura en áreas extensas, como ciudades inteligentes, agricultura inteligente y monitoreo remoto. - **Consumo de energía ultra bajo:** Los dispositivos LoRaWAN están diseñados para funcionar con baterías de larga duración, con una vida útil que puede extenderse desde varios meses hasta varios años. Esto los hace ideales para aplicaciones que requieren una operación de bajo consumo de energía, como sensores ambientales, medidores inteligentes y dispositivos de seguimiento. - **Alta capacidad de red:** LoRaWAN puede admitir una gran cantidad de dispositivos conectados simultáneamente en una red. Esto es posible gracias a su arquitectura escalable y al uso de técnicas de acceso múltiple y coordinación de tiempo. Con LoRaWAN, es posible conectar miles e incluso millones de dispositivos en una sola red. - **Seguridad de extremo a extremo:** La seguridad de extremo a extremo es una consideración fundamental en las aplicaciones de IoT, y LoRaWAN ofrece mecanismos sólidos para garantizar la confidencialidad, integridad y autenticidad de los datos transmitidos a través de la red. En LoRaWAN, se utilizan dos niveles de cifrado: el cifrado de aplicación y el cifrado de red. ![](https://hackmd.io/_uploads/S1P6Jp7P2.png) El cifrado de aplicación se aplica a nivel de dispositivo y garantiza que los datos transmitidos entre el dispositivo final y la aplicación de destino estén protegidos. Cada dispositivo final tiene una clave de cifrado única que se utiliza para cifrar y descifrar los datos. Esto asegura que solo el dispositivo final y la aplicación autorizada puedan acceder y comprender los datos transmitidos. Por otro lado, el cifrado de red se aplica a nivel de red y se utiliza para proteger la comunicación entre el dispositivo final y el servidor de red LoRaWAN. Se utiliza un esquema de cifrado simétrico basado en AES (Advanced Encryption Standard) para garantizar la confidencialidad y la integridad de los datos en tránsito. Además, se implementan técnicas de autenticación mutua entre el dispositivo final y el servidor de red para verificar la identidad de ambos extremos y prevenir ataques de suplantación. El cifrado de red y de aplicación en LoRaWAN trabajan en conjunto para proporcionar una seguridad de extremo a extremo sólida. Los datos transmitidos desde el dispositivo final se cifran con el cifrado de aplicación utilizando la clave de cifrado única del dispositivo antes de ser enviados a través de la red LoRaWAN. Una vez que los datos llegan al servidor de red, se descifran utilizando la clave correspondiente. Luego, los datos pueden ser cifrados nuevamente con el cifrado de red para protegerlos durante la transmisión a la aplicación de destino. Este enfoque de seguridad de extremo a extremo en LoRaWAN asegura que los datos transmitidos sean seguros y confiables, evitando la interceptación no autorizada o la manipulación de los mismos. Además, se utilizan algoritmos y protocolos criptográficos estándar ampliamente reconocidos, como AES, que ofrecen una protección robusta contra ataques criptoanalíticos. - **Flexibilidad y escalabilidad:** LoRaWAN es una tecnología flexible que se adapta a diferentes escenarios de aplicación. Puede ser implementado en redes públicas o privadas, lo que brinda a los usuarios la libertad de elegir la opción que mejor se adapte a sus necesidades. Además, LoRaWAN es altamente escalable, lo que permite agregar nuevos dispositivos y ampliar la red de manera eficiente. - **Clases de dispositivos en LoRaWAN:** LoRaWAN define diferentes clases de dispositivos que se adaptan a distintos requisitos de aplicación. Estas clases incluyen Clase A, Clase B y Clase C, cada una con características específicas en términos de consumo de energía y capacidad de recepción de datos. Esto permite a los usuarios seleccionar la clase de dispositivo adecuada para sus aplicaciones específicas. ### La Banda ISM y los Parámetros Regionales de LoRaWAN Una de las mayores ventajas de LoRaWAN es que utiliza bandas ISM no licenciadas en todo el mundo. Este espectro de radio se reserva regionalmente para dispositivos industriales, científicos y médicos (ISM), y los dispositivos LoRaWAN hacen uso de este espectro. Esto significa que los usuarios no necesitan comprar licencias costosas para operar sus dispositivos ni pagar a un operador de red por el uso de su banda licenciada. Cualquier persona puede operar un dispositivo o red LoRaWAN en cualquier parte del mundo, siempre y cuando cumpla con los requisitos regulatorios para esa región o territorio. La Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) administra el uso espectral común para las Naciones Unidas (ONU), pero la autoridad final de asignación de frecuencias la otorgan los gobiernos de cada país o región, y existen más de 200 entidades de este tipo. Sin embargo, muchos países pequeños y en desarrollo no tienen una autoridad de asignación de frecuencias establecida. Esto crea un escenario complicado para las implementaciones mundiales de LoRaWAN. Para que una red global LoRaWAN tenga éxito, es importante que las personas involucradas en el ecosistema de LoRaWAN que planeen implementar dicha solución comprendan los requisitos regulatorios en los lugares donde planean desplegar sus redes y dispositivos. Los tipos de parámetros definidos por los requisitos regulatorios incluyen: - Frecuencia a utilizar - Potencia de transmisión máxima y configuración de potencia - Requisitos de salto de frecuencia - Restricciones de ciclo de servicio (Duty Cycle) o tiempo de retención (Dwell Time) - Si se requiere escuchar antes de hablar (LBT, por sus siglas en inglés) Para ayudar en el desarrollo de redes mundiales LoRaWAN, la LoRa Alliance especifica la configuración de estos parámetros para que una red LoRaWAN pueda cumplir con los requisitos en cada región, país o territorio. Los Planes de Canales - Channel Plans para cada país o región se definen en la especificación de Parámetros Regionales - Regional Parameters de LoRaWAN, que es un documento complementario a las especificaciones del protocolo LoRaWAN Capa 2 (L2). La especificación de Parámetros Regionales aborda los requisitos regulatorios y operativos para las redes LoRaWAN, y se puede encontrar en la página ["LoRaWAN for Developers"](https://lora-alliance.org/lorawan-for-developers/) del sitio web de la LoRa Alliance. El documento de especificación de Parámetros Regionales de LoRaWAN define los siguientes parámetros: - Canales a utilizar cuando un dispositivo se une a la red - Requisitos de salto de frecuencia - Canales predeterminados - Restricciones de ciclo de servicio y tiempo de retención - Si se requiere escuchar antes de hablar (LBT, por sus siglas en inglés) - Tasas de datos permitidas - Potencia de transmisión máxima y configuración de potencia - Plan de canales y máscara de canal - Tamaño máximo de payload vs. velocidad de datos - Frecuencias de ventana de recepción (RX) y mapeo de ventanas de recepción - - Frecuencia de la baliza (beacon) de la Clase B y canal de bajada predeterminado A medida que las diversas autoridades regulatorias definen y modifican periódicamente sus requisitos, la separación de los parámetros regionales de las especificaciones del protocolo ha permitido agregar o cambiar regiones sin afectar la especificación L2 de LoRaWAN. ### Particularidades de la banda US915 respecto a EU868 #### Cómo funciona LoRaWAN en EU868 Para entender las diferencias entre EU868 y US915, veamos cómo funciona el primero. Al unirse a la red LoRaWAN en Europa, el sensor utiliza uno de los 3 canales estándar a los que todos los gateways están escuchando. Luego, los sensores se comunicarán en hasta 5 otros canales para un total de 8. Estos canales pueden configurarse en la configuración del dispositivo (configuración estática) o configurarse dinámicamente durante el proceso de unión. Los sensores respetarán un ciclo de trabajo durante las fases de comunicación, restringiendo las comunicaciones a un porcentaje del tiempo total por bandas de frecuencia. #### La banda ISM US915 La banda US915 es en realidad una gran banda de frecuencia que comienza en 902MHz y llega a 928MHz. Por lo tanto, la banda tiene 26Mhz disponibles para la transmisión. La forma en que se implementa una especie de ciclo de trabajo es diferente: los sensores necesitan transmitir datos con cambio de canal (channel hopping). LoRaWAN US915 define 64 canales que comienzan desde 902.3Mhz (cada uno de 125KHz de ancho), separados por 200KHz cada uno. En el lado de la bajada, se utilizarán 8 canales diferentes, comenzando en 923.3Mhz, separados por 600KHz entre sí. También hay 8 canales más que comienzan en 903Mhz con un ancho de 500Khz, separados entre sí con 1.6MHz. Son los canales 64 a 72. #### Consideraciones sobre el tiempo en el aire No hay ciclo de trabajo en US915, pero sí un tiempo máximo de transmisión en el mismo canal de 400ms dentro de un período de tiempo de 20s. Por esta razón, el factor de dispersión mínimo puede ser 10 y no 12. Un marco SF10 con 1 byte de tiempo en el aire es de 200ms, SF11 es más de 400ms. El tamaño máximo de la carga útil en SF10 es de 24 bytes (371ms). Para un marco SF7, el tamaño máximo de la carga útil es de 256 bytes. #### Salto de canal El canal se selecciona aleatoriamente en cada transmisión en los 64+8 canales definidos. Para cumplir con la regulación US915, LoRaWAN como "sistema" necesita implementar más de 50 canales. Los 64 canales se dividen en 8 grupos de 8 canales. La regulación exige que los dispositivos sean capaces de transmitir en más de 50 canales, pero no exige que sean simultáneamente, por lo que se han definido sub-bandas (agrupaciones de 8 canales) para cumplir con la normativa. #### Procedimiento de unión en LoRaWAN US915 Al diseñar un sensor, para US915, en comparación con EU868, nunca se sabe si un gateway escuchará su solicitud de unión. No hay un canal de unión definido y cualquiera de los 64 canales puede ser utilizado para unirse. Si la red está compuesta por gateways de 64 canales, no hay nada específico, pero si la red está compuesta por gateways de 8 canales, el trato será diferente. El sensor seleccionará aleatoriamente uno de los 64 canales y enviará la solicitud de unión. Esto puede fallar hasta que selecciones uno de los canales de escucha. Estadísticamente hablando, tienes 1/8 de posibilidades de seleccionar el canal correcto. Considerando la aleatoriedad y la tasa de pérdida de frames, tener 16 intentos de unión antes de tener éxito no será algo extraño. #### Impacto en la recepción/downlink El canal RX1 no es el mismo que el TX, sino que se determina a partir del canal TX. La regla aplicada es canal RX1 = canal TX % 8. Como consecuencia, si tienes canales TX consecutivos, todos los canales RX serán utilizados. El gateway necesita ser capaz de manejar esto. El canal RX2 es fijo: 923.3Mhz / DR8 ### Arquitectura de LoRaWAN La arquitectura de LoRaWAN se compone de varios elementos que trabajan juntos para permitir la conectividad de dispositivos IoT a través de una red LoRaWAN. Estos elementos incluyen: #### Dispositivos finales (end devices): Dispositivos IoT que recopilan datos y se comunican con la red LoRaWAN. Pueden ser sensores, medidores, actuadores u otros dispositivos que envían información a través de la red. #### Puerta de enlace (Gateway): Puntos de acceso a la red LoRaWAN que reciben y transmiten los mensajes entre los dispositivos finales y el servidor de red. Los gateways están equipados con antenas y pueden cubrir un área geográfica amplia. Actúan como puente entre el mundo IP y LoRa. #### Servidor de red (network server): Componente central de la infraestructura de LoRaWAN. El servidor de red gestiona la comunicación entre los dispositivos finales y las aplicaciones, controla la asignación de canales y bandas de frecuencia, y asegura la entrega de mensajes a través de la red. #### Aplicación: Software o sistema que recibe y procesa los datos enviados por los dispositivos finales a través de la red LoRaWAN. Las aplicaciones pueden realizar análisis de datos, generar alertas o tomar acciones basadas en la información recibida. ![](https://hackmd.io/_uploads/HyGX32Qw2.jpg) La arquitectura de LoRaWAN se basa en un enfoque de estrella, donde los dispositivos finales se comunican directamente con los gateways y los gateways actúan como puntos de acceso a la red. La comunicación entre los dispositivos finales y el servidor de red se realiza a través de los gateways, y el servidor de red gestiona la comunicación bidireccional entre los dispositivos finales y las aplicaciones. Esta arquitectura permite una gran flexibilidad en la implementación de redes LoRaWAN, ya que se pueden agregar o eliminar dispositivos finales y gateways según sea necesario. Además, la arquitectura de LoRaWAN es escalable, lo que significa que puede manejar redes de diferentes tamaños, desde pequeñas implementaciones locales hasta despliegues a gran escala en ciudades o regiones enteras. La infraestructura de LoRaWAN también es compatible con diferentes modelos de implementación, como redes públicas operadas por proveedores de servicios, redes privadas gestionadas por organizaciones o incluso implementaciones híbridas que combinan ambos enfoques. Esto brinda a los usuarios la flexibilidad para elegir el tipo de red que mejor se adapte a sus necesidades y requisitos específicos. ## Ejemplos Prácticos y Demostración Además de esta presentación teórica, es útil proporcionar ejemplos prácticos de cómo se utilizan estas características en aplicaciones del mundo real. Se puede realizar una demostración con los dispositivos LoRaWAN disponibles para mostrar cómo se implementan algunas de estas características. ## Tiempo para Preguntas y Respuestas [Vamos a Quizzizz!](https://quizizz.com/embed/quiz/6490b87b75f5f9001ee811c0) ## Recursos Adicionales Se pueden proporcionar recursos adicionales para que los estudiantes exploren después de la sesión si desean obtener más información sobre LoRa.