Introducción
A medida que las industrias buscan soluciones económicas con mayor alcance y soporte para dispositivos, La conectividad que cumpla estas condiciones se ha convertido en una necesidad.. Esta demanda ha llevado al surgimiento de LPWAN. (Red de área amplia de bajo consumo) y tecnología LoRaWAN. LoRaWAN es una red de área amplia de bajo consumo (LPWAN) protocolo destinado a permitir que los dispositivos se conecten de forma inalámbrica a través de grandes distancias a Internet. Sus características principales (cobertura de larga distancia y uso mínimo de energía) se adaptan bien a los requisitos de comunicación inalámbrica de dispositivos de iot que funcionan básicamente con pilas.
¿Qué es LoRaWAN??
LoRaWAN es un tipo de tecnología de comunicación inalámbrica que se incluye bajo el paraguas de LPWAN. (Red de área amplia de baja potencia). Esto significa que está diseñado para utilizar una potencia mínima y al mismo tiempo permitir una transmisión de largo alcance., haciéndolo ideal para aplicaciones de IoT a gran escala. Esencialmente, LoRaWAN utiliza tecnología de modulación LoRa, que es una forma específica de implementar LPWAN.
lora, en su núcleo, es una técnica de modulación en la capa física que emplea Chirp Spread Spectrum (CSS) tecnología para codificar información. Especifica varias configuraciones de comunicación., incluido el ancho de banda, frecuencia de transmisión, tasa de codificación, y factor de dispersión. Construyendo sobre LoRa, La tecnología LoRaWAN define el protocolo de comunicación entre los dispositivos de nodo final de IoT y la red. puertas de enlace, ayudando a conectar dispositivos a Internet sin problemas.
Clases LoRaWAN
Clase A
La clase A opera como un sistema asíncrono donde los nodos finales pueden transmitir mensajes a la puerta de enlace cuando sea necesario y luego entrar en un estado inactivo hasta la siguiente transmisión.. Esta configuración utiliza eficientemente franjas horarias en un sistema multicanal.
Clase B
Un método para enviar mensajes a nodos que funcionan con baterías., donde la puerta de enlace emite una baliza cada 128 segundos. Esta baliza permite que todas las estaciones base LoRaWAN sincronicen su hora mediante señales de satélite GPS..
Clase C
Permite que los nodos escuchen y transmitan constantemente mensajes de enlace descendente en cualquier momento. Esta clase generalmente se emplea en aplicaciones alimentadas por CA, ya que exige una energía considerable para mantener el nodo completamente activo y el receptor siempre operativo..
Cómo funciona LoRaWAN
La modulación LoRa codifica datos en señales inalámbricas utilizando una técnica llamada chirp de espectro ensanchado.. Al aumentar la tasa de modulación de frecuencia lineal, la señal se propaga en múltiples rangos de frecuencia, permitiéndole viajar distancias más largas sin mucha interferencia. LoRa emplea una modulación de espectro ensanchado patentada basada en esta tecnología de chirrido.. Por ejemplo, Los dispositivos cercanos a la puerta de enlace utilizan un factor de dispersión más bajo para transmitir datos rápidamente debido a su proximidad., mientras que los dispositivos más alejados utilizan un factor de dispersión más alto para ampliar el alcance de la señal, aunque esto ralentiza la velocidad de transmisión.
dispositivos de iot (como sensores) en la red LoRaWAN recopilan datos periódicamente o bajo demanda. Estos dispositivos utilizan el módulo LoRa incorporado y la tecnología de modulación LoRa para transmitir de forma inalámbrica los datos recopilados a una puerta de enlace LoRaWAN cercana., que luego carga los datos al servidor de red LoRaWAN. Después de la deduplicación y verificación de los datos., y procesamiento de funciones tales como verificación de acceso a la red del dispositivo y autenticación de identidad, los datos se enviarán al servidor de aplicaciones, que suele ser un sistema personalizado por el usuario, para facilitar el análisis y almacenamiento de los datos recibidos, y realizar el procesamiento correspondiente, como iniciar alarmas y generar informes..
Características y beneficios clave de LoRaWAN
Largo alcance y Cobertura:
La tecnología de modulación LoRa bajo LoRaWAN permite un rango de transmisión de varios kilómetros, hasta decenas de kilómetros. En la mayoría de los casos, LoRaWAN logra aproximadamente 2-5 Rango de kilómetros en una ciudad pero en el área rural abierta puede ir más allá de los 15 kilómetros..
Bajo consumo de energía:
El uso de sistemas LoRaWAN va acompañado de un bajo consumo de energía., por lo tanto, estos sistemas son preferibles para dispositivos de bajo consumo o que funcionan con baterías.. Esto implica que estos dispositivos no requieren baterías de repuesto cada pocos meses durante años., una característica que es importante para sensores de monitoreo remoto y rastreadores de activos ubicados en áreas de difícil acceso.
Escalabilidad:
Una única puerta de enlace LoRaWAN es capaz de manejar simultáneamente miles de dispositivos, apoyando así vastas conexiones. Usando la tarifa de datos adaptativa (ADR) función, La red LoRaWAN, también conocida como gestión de recursos de red de área amplia de bajo consumo, tiene como objetivo la comunicación entre dispositivos de una manera más eficiente..
Hardware rentable:
Iniciar una red LoRaWAN es de bajo coste ya que no requiere de muchas instalaciones. La infraestructura de código abierto y los recursos de software hacen que su adopción sea más económica.
Conectividad global:
LoRaWAN está abierto a todos los usuarios según lo declarado por LoRaWAN Alliance. Los dispositivos y las redes pueden funcionar en armonía sin necesidad de un proveedor común, ofreciendo así una mejor integración entre marcas y entre industrias, y más posibilidades en su aplicación.
Casos de uso comunes de LoRaWAN
1. Ciudad inteligente
La tecnología LoRaWAN puede ayudar a conectar los diferentes dispositivos IoT, sensores, Medidores inteligentes y otros dispositivos presentes en ciudades inteligentes al proporcionar una red de área grande.. Los dispositivos y redes de IoT se pueden incorporar a la infraestructura existente de las ciudades de una manera que facilite la automatización de procesos y la supervisión y control de sistemas, lo que a su vez conduce a una reducción de los costos operativos.. Aquí hay algunas ideas que se pueden ejecutar en ciudades inteligentes.:
- Alumbrado público inteligente: Control, Gestione y supervise las luces de las calles de la ciudad desde una amplia red LoRaWAN con la capacidad de regular el brillo en función del flujo de tráfico y la iluminación externa para reducir los costos de energía..
- Gestión de aparcamiento: Los sensores LoRaWAN rastrean la ocupación de las plazas de aparcamiento e informan a los conductores sobre la disponibilidad de las mismas., aliviando así los problemas de estacionamiento y el flujo de tráfico..
- Monitoreo de la calidad del aire: Emplear sensores LoRaWAN para monitorear la concentración de diversos contaminantes en la atmósfera en toda la ciudad con el objetivo de controlar la contaminación..
2. Agricultura inteligente y sus herramientas modernas
Las operaciones agrícolas están adaptando el uso de IoT y aplicaciones LoRaWAN al aire libre en áreas específicas de la agricultura inteligente.. Usando la red LoRaWAN, sensores que comunican en tiempo real todos los datos relacionados con el cultivo, ganadería, equipo, entorno físico, etc, Permitir al agricultor realizar cambios apropiados en los niveles de producción y, como tal, mejorar la calidad de la producción..
3. Internet industrial de las cosas
La tecnología LoRaWAN también se incorpora eficazmente en entornos operativos industriales.. Monitoreo automatizado, seguridad, y la gestión de activos permiten respuestas más rápidas de los operadores. El ámbito de la logística y el almacenamiento inteligente, por ejemplo, Las redes LoRaWAN son mejores que antes al proporcionar una cobertura más amplia y conexiones con menos interferencias..
4. Servicios públicos y medición inteligente
Medidores inteligentes (para electricidad, agua, etc.) permitir el monitoreo remoto y en tiempo real, Reducir errores y mejorar la eficiencia..
5. Atención sanitaria y wearables
Los dispositivos portátiles para el cuidado de la salud basados en LoRaWAN están diseñados para monitorear de manera continua y confiable a los pacientes en los hospitales., residentes de cuidado de ancianos, o cualquier persona que necesite monitoreo en tiempo real de los signos vitales.
Arquitectura de red LoRaWAN
1. Redes LoRaWAN públicas y privadas
Una red pública LoRaWAN es una red LoRaWAN propiedad de un tercero., principalmente un operador de telecomunicaciones o un proveedor de servicios de red, que cobra una tarifa a los usuarios que conectan dispositivos a la red. Una red privada LoRaWAN es una red que un individuo o una empresa construye y opera y principalmente, controlado por ellos, y a menudo geográficamente limitado en el área. Este tipo de conectividad suele tener mejores disposiciones de privacidad y seguridad de los datos..
2. Modelos híbridos
Los principios de una LoRaWAN pública y privada se pueden combinar de modo que las necesidades de comodidad y cobertura del usuario en una red privada se satisfagan a través de una red pública pero de forma más segura.. Los usuarios pueden elegir entre la red pública o la red privada e incluso ambas a la vez dependiendo de la situación..
3. Implementación de red
Evaluar la cobertura del área., Velocidad de datos alcanzable y energía eléctrica consumida por las redes LoRaWAN., en un alcance dictado por los requisitos del proyecto. Después de establecer la cantidad de puertas de enlace necesarias dentro del área de cobertura y los sitios de implementación, construir la topología de la red (típicamente una topología de estrella de estrellas). Elija y monte los puntos de acceso LoRaWAN adecuados y otros dispositivos. Una vez completada la implementación del hardware, establecer los parámetros de las puertas de enlace, configurar el servidor de red, y comenzar las pruebas y la verificación. Una vez finalizada la implementación del proyecto, Realizar monitoreo y mantenimiento del equipo de forma regular..
Funciones de seguridad de LoRaWAN
Cifrado de extremo a extremo
El cifrado de extremo a extremo protege toda la transmisión desde el dispositivo al servidor de aplicaciones. Suele tener dos capas de mecanismo de cifrado., Cifrado de capa de red y cifrado de capa de aplicación de LoRaWAN. Las dos técnicas de cifrado anteriores producen dos claves diferentes, NwkSKey y AppSKey.. Esto significa que toda la información estará cifrada mientras se transmite desde el momento en que el dispositivo envía los datos hasta que los datos llegan al servidor de la aplicación.. Por lo tanto, incluso si la puerta de enlace o el proveedor de servicios de red intermedio recibe el paquete de datos, no podrán ver ni cambiar los datos.
Autenticación del dispositivo
LoRaWAN aprovecha un mecanismo de autenticación de dispositivos muy estricto para no permitir la entrada de dispositivos no autorizados a la red.. Unirse a la red LoRaWAN tiene dos enfoques principales.
OTAA (Activación inalámbrica)
Esta opción es la más segura de todos los ataques.. Cuando sea, un dispositivo se conecta a una red LoRaWAN, un nuevo par de claves (una clave de sesión de red NwkSKey y una clave de sesión de aplicación AppSKey) esta formulado. Estas claves se crean en función del DevEUI del dispositivo y la AppKey.. Usando OTAA, cada vez que un dispositivo se conecta a la red, se verifica la identidad del dispositivo, y de esta manera, se confirma que no se permite ningún dispositivo no autorizado en la red.
PAA (Activación por personalización)
En esta técnica, Las claves del dispositivo están listas antes del despliegue del dispositivo.. ABP no requiere que las claves se generen nuevamente, pero las limitaciones de seguridad ofrecidas son fijas y no pueden cambiarlas, lo que lo hace inferior a OTAA..
No importa si es OTAA o ABP, Los mecanismos de autenticación de dispositivos de LoRaWAN evitan cualquier comunicación no deseada en la red desde dispositivos no autenticados..
Gestión de claves
El cifrado se emplea en todas las interacciones entre dispositivos y servidores y dichos procesos de cifrado se implementan utilizando diferentes claves.. Hay principalmente tres funciones de administración clave empleadas por la red LoRaWAN.
- AppKey se utiliza en la generación de claves de sesión en un proceso OTAA. Cuando un dispositivo de usuario se une por primera vez a la red, esta clave ayuda a crear una clave de sesión de red y una clave de sesión de aplicación.
- NwkSKey es la clave que ayuda a cifrar los datos de comunicación entre los dispositivos y los servidores de red..
- AppSKey es la clave que cifra los datos de la aplicación entre dispositivos y servidores de aplicaciones..
Cabe señalar que la gestión de claves en LoRaWAN debe cumplir con los siguientes requisitos:
- Unicidad: Cada dispositivo tiene su propia clave que no es la misma que la de otros dispositivos, por lo que la comunicación del dispositivo no será interferida por otros dispositivos..
- Actualización clave: El mecanismo OTAA ayuda a los dispositivos a crear nuevas claves cada vez que se unen a una nueva red y esto minimiza los riesgos que plantea el uso de claves estáticas durante períodos prolongados..
- Seguridad del almacenamiento de claves: Dispositivos, Las puertas de enlace y los servidores deben salvaguardar estas claves de manera efectiva porque un atacante puede desear obtener estas claves para descifrar la información que se transmite..
LoRaWAN frente a. Otros protocolos de IoT
LoRaWAN frente a. NB-IoT
Cobertura: LoRaWAN ofrece un rango de comunicación ampliado, por lo tanto, es más ventajoso en regiones rurales o del interior donde el rango puede ser de hasta 15 kilómetros. A diferencia de, NB-IoT tiene un radio de cobertura limitado de aproximadamente 10 kilómetros pero es más eficaz en ciudades y entornos con muchas estructuras.
Consumo de energía: El consumo de energía de LoRaWAN es bastante bajo, por lo que las baterías de los dispositivos pueden durar varios años, lo que es ideal para colocar dichos dispositivos durante largos períodos.. NB-IoT también es significativamente eficiente desde el punto de vista energético, pero la duración de la batería es más corta debido a la cantidad de datos que se transmiten..
Escenarios de aplicación: Debido al largo alcance y la baja transmisión de datos, LoRaWAN encaja bien en casos de uso de aplicaciones como la agricultura inteligente, monitoreo ambiental y muchos más. Por otro lado, NB IoT es más aplicable en casos donde el volumen de datos es intensivo y la penetración de la señal es profunda, como en los medidores inteligentes y las soluciones de ciudades inteligentes..
LoRaWAN frente a. Wifi/Bluetooth
Rango: La distancia de comunicación a través de LoRaWAN puede ser de varios kilómetros, mientras que la de Wi-Fi y Bluetooth oscila entre unos pocos metros y unos cien metros como máximo..
Durabilidad de la batería: Debido a la baja potencia de transmisión y al muy bajo volumen de datos que transmite LoRaWAN, la batería del dispositivo en funcionamiento puede ser lo suficientemente larga como para soportar varios años de uso activo. De lo contrario, Los dispositivos que emplean tecnologías Wi-Fi y Bluetooth consumen más energía y, por lo tanto, los dispositivos deben cargarse o reemplazarse dentro de un período de tiempo..
Rendimiento de datos: LoRaWAN está diseñado para transmisión de datos a baja velocidad y su rendimiento está limitado a solo unos pocos paquetes de datos, incluso cuando la latencia no es un problema., mientras que las tecnologías Wi-Fi y Bluetooth logran un mayor rendimiento de datos y, por lo tanto, pueden aplicarse en contextos donde se transmiten grandes volúmenes de datos..
Elegir los productos y soluciones LoRaWAN adecuados
Comprender sus necesidades:
Para aprovechar al máximo los beneficios de implementar una infraestructura LoRaWAN, se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones.
- Rango: Aunque LoRaWAN puede admitir cobertura inalámbrica en un largo alcance, La calidad de la señal está limitada por el terreno geográfico y los edificios.. Sería importante considerar el sitio de implementación específico y el plan para la disposición de la puerta de enlace..
- Duración de la batería: Piense en cuánto tiempo espera que funcione su dispositivo LoRaWAN y elija un dispositivo cuya duración de batería y consumo operativo de energía parezcan estar bien..
- Rendimiento de datos: Determina si estás interesado en una transmisión de datos simple y poco frecuente o todo lo contrario., muchos datos transmitidos con frecuencia. LoRaWAN está diseñado para su uso en entornos donde la transmisión de datos no es tan alta.
- Enfoque rentable: Existe una ventaja de costos muy significativa para la red LoRaWAN cuando se implementa en un área geográfica amplia.. Por otro lado, basado en el tamaño del proyecto y los insumos del proyecto, como el costo del equipo, Costo de gateways y mantenimiento de red., seleccione la opción correcta.
- Escalabilidad: Si su iniciativa requiere una amplia gama de conectividad de dispositivos, o prefieres instalar la conectividad del dispositivo fácilmente en los próximos años, entonces LoRaWAN es la opción más adecuada.
Tipos de dispositivos LoRaWAN:
Los dispositivos LoRaWAN vienen en varias formas, como puertas de enlace., sensores, etiquetas, módulos, etc.. lo último Sensor de temperatura y humedad MST01 LoRaWAN® por Minew, utiliza la tecnología LoRaWAN para ir más allá de las limitaciones que plantea el área de cobertura con sensores tradicionales e incluso reducir el consumo de energía del dispositivo. Este sensor es de gran importancia en la gestión de sistemas inteligentes de logística y transporte de almacenes..
Principales proveedores de LoRaWAN:
Más proveedores en la industria de IoT están presentando productos y soluciones LoRaWAN. minas es una de las empresas líderes en esta área, Especializándose en soluciones de hardware de IoT y contando con más 200 patentes y certificados de originalidad. Puede trabajar con Minew para crear una solución de hardware de IoT personalizada según sus necesidades..
El futuro de LoRaWAN
1. Aplicaciones emergentes: Con la mejora de las comunicaciones por satélite, LoRaWAN puede utilizar el monitoreo de sensores en aplicaciones como detección de humo en áreas forestales no visibles o detección de temperatura en boyas oceánicas, etc.. Datos provenientes de sensores LoRaWAN a medida que ocurren interacciones, Las ciudades inteligentes podrán implementar estrategias efectivas de gestión del transporte..
2. LoRaWAN y 5G: Las soluciones para la automatización industrial incorporan 5G para permitir la operación remota de equipos utilizando datos de sensores LoRaWAN.
3. LoRaWAN en el ecosistema global de IoT: El mercado de aplicaciones de la tecnología LoRaWAN está mostrando un crecimiento espectacular. Se predice que por 2030 El mercado global de LoRa y LoRaWAN IoT se expandirá a 48.400 millones de dólares., con una tasa de crecimiento del mercado de 36.8% durante el período de pronóstico. De hecho, el mercado de IoT aprecia la tecnología debido a sus numerosas ventajas..
Conclusión: ¿Es LoRaWAN adecuado para usted??
Los beneficios de la tecnología LoRaWAN son claros. Ya no es necesario implementar densamente puertas de enlace para recibir señales de dispositivos ubicados en lugares lejanos.. LoRaWAN puede manejar las demandas de su proyecto fácilmente y a un costo muy razonable.. Desarrollado por la red LoRaWAN, También puede acceder fácilmente a datos que le ayudarán a tomar decisiones estratégicas que mejorarán la productividad general del proyecto y del negocio.. En el mercado de IoT, El volumen de productos y servicios especializados basados en la tecnología LoRaWAN aumenta constantemente.