Introducción a las redes inalámbricas LPWAN

Existe en la actualidad un amplio abanico de tecnologías para montar redes inalámbricas de transmisión de datos. En este artículo haré un resumen de las denominadas LPWAN que se caracterizan por tener un bajo consumo de energía y transmitir pequeñas cantidades de información a largas distancias.

Introducción

Las redes LPWAN (Low Power Wide Area Networks) constituyen un paradigma que combina características únicas como amplia cobertura, bajo consumo de energía, escalabilidad, bajo costo y transmisión infrecuente de pequeños paquetes de datos a velocidades reducidas.

La cobertura puede llegar a los 10-40 km en zonas rurales despejadas y entre 1 y 5 km en zonas urbanas. Esto se ve favorecido por el empleo de frecuencias por debajo de los GHz, que tienen mejores características de propagación que frecuencias mas elevadas (como 2.4 GHz) y técnicas de modulación de baja velocidad que mejoran la sensibilidad y la respuesta al ruido.

La baja velocidad de transmisión, el empleo de paquetes de datos cortos (decenas de bytes) en combinación con estrategias de funcionamiento que emplean modos de bajo consumo hacen posible que los dispositivos funcionen con muy poca energía, extendiendo la carga de las baterías a una escala de años.

Topologías de redes LPWAN

Las topologías mas comunes son las de estrella y malla.

Una red tipo estrella consiste en una serie de nodos y un punto central o Gateway al cual todos los nodos se conectan. El Gateway puede interconectarse con otras redes, donde se hacen las comprobaciones de seguridad y autenticación. Estas redes son rápidas y confiables ya que los nodos tienen que hacer solo un “salto” hasta el Gateway. Las desventaja es que un Gateway defectuoso puede aislar a muchos nodos.

En una red en malla todos los nodos pueden comunicarse entre sí y con el Gateway. Tiene la ventaja de ofrecer distintos caminos para los datos en caso de nodos defectuosos, pero como contrapartida es compleja y tiene una velocidad de operación menor debido a los múltiples saltos.

Generalmente la primera es la preferida en LPWAN porque mantiene la simplicidad en los nodos. El amplio alcance de LPWAN permite crear redes con un punto central donde todos los nodos hacen solo un salto (Ver Fig. 1).

Arquitectura de red

Una red LPWan tiene una arquitectura como se puede ver en la Figura 2. La información transmitida por los nodos a través del enlace de radio es recibida por los Gateway.

Si bien hay diferencias en las implementaciones específicas de los distintos protocolos, el Gateway es el encargado de administrar el tráfico con los nodos y reenviar esta información al servidor de red, lo que en algunos casos supone cierto procesamiento de la información que no se puede realizar en los nodos debido a su simplicidad.

El servidor de red se encarga de administrar la red y el tráfico de datos, realizar funciones de seguridad como registro y autenticación y puede conectarse con los Gateways empleando Ethernet, la red celular o cualquier otro método.

Finalmente, los applications servers contienen las aplicaciones de los clientes, donde se almacena, procesa y analiza la información recibida desde los nodos.

Soluciones LPWAN disponibles

Existen una gran variedad de soluciones LPWAN, a continuación analizaremos las características mas importantes de las mas destacadas.

Sigfox

Además del nombre de una tecnología LPWAN, Sigfox es el nombre de una empresa que ofrece una solución completa que va desde la recolección de datos empleando nodos de distintos tipos hasta la transferencia de esos datos a las instalaciones del cliente.

El modelo de negocios de Sigfox se basa en prestar un servicio y cobrar por la conectividad prestada a los dispositivos (nodos). Desde el año 2009 Sigfox ha tenido un importante crecimiento y en la actualidad tiene presencia en mas de 70 paises. [2]

Sigfox es una tecnología LPWAN de banda ultra-angosta (UNB – Ultra Narrow Band) que emplea una tasa baja de modulación para lograr un gran alcance.

Para la transmisión desde los nodos a la red (uplink) se emplea modulación DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying) a 100 bps. Concentrando la energía en un ancho de banda pequeño se logra mejorar la inmunidad a la interferencia.

Cada período de transmisión dura unos dos segundos y se repite tres veces en distintas frecuencias para aumentar las posibilidades de ser recibido por la red. Si se necesita una respuesta, el nodo abre una ventana de 25 segundos para recibir la confirmación.

Para la transmisión desde la red a los nodos (downlink) se emplea modulación GFSK (Gaussian Frequency Shift) a una velocidad de 600 bps. La comunicación por lo tanto es bidireccional pero asimétrica, siendo siempre iniciada por el nodo, recibiéndose una información sólo si es solicitada por este. El numero de mensajes que el nodo puede enviar a la red está limitado a 140 por día y la descarga a 4 [4]

En el uplink cada paquete de datos tiene una longitud de 26 bytes, 12 de los cuales son datos del usuario [4]

Se utiliza la banda no licenciada ISM (industrial, scientific, and medical) [6]

En lo que respecta a seguridad, la autenticación de cada nodo se realiza empleando un ID único de 32 bits.

En el enlace de radio desde los nodos los datos no se encriptan, esta es una función posterior que realizan los Gateways o estaciones base (Base Station) que reciben esa información. Luego la información se envía usando una VPN desde cada estación base y el servidor de red de Sigfox.[4]

Sigfox puede manejar y controlar hasta un millón de objetos conectados en una zona de cobertura de 30-50 km en zonas rurales y 3-10 km en áreas urbanas [5]

LoRa y LoRaWAN

Aunque a veces se los utiliza indistintamente, LoRa y LoRaWan son conceptos diferentes.

LoRa (Long Range) es una tecnología de capa física diseñada en 2010 por la empresa francesa Cycleo, que fuera luego adquirida por el fabricante Semtech en 2012, el que en la actualidad es el propietario de la tecnología, la marca y todos los derechos.

LoRaWAN mientras tanto es la denominación de la capa de enlace que se apoya sobre esta capa física y se emplea para la comunicación y administración de dispositivos LoRa. LoRaWAN ha sido propuesta y desarrollada por la LoRa Alliance, una asociación sin fines de lucro, manteniéndose como un estándar abierto [8] de acceso libre tanto para nodos como para gateways. [4]

LoRa utiliza un ancho de banda de 125 KHz o 500 KHz para la subida (upstream) y 500 KHz para la bajada (downstream) en frecuencias por debajo de 1 GHz, usualmente en la banda ISM (868 MHz en Europa, 915 en América y 433 MHz en Asia).

El transmisor emplea una técnica denominada CSS (Chirped Spread Spectrum) que consiste en variar la frecuencia a lo largo del tiempo, aumentando las componentes de frecuencias del espectro de la señal. De esta manera, la energía total de la señal se distribuye en un rango de frecuencias mas amplio, permitiendo que el receptor distinga una señal con un relación señal-ruido mas baja.

Ese aumento del espectro de frecuencias se denomina Spreading Factor (SF). En Lora se dispone de 6 valores diferentes de SF (SF7 a SF12). Mientras mayor sea este valor, mayor es el alcance de la señal, pero menor será la velocidad de transmisión.

La siguiente tabla muestra distintos valores de SF, alcance y velocidad de datos, así como el tiempo de demora para transmitir un paquete de 11 bytes de información para upstream con un ancho de banda de 125 KHz. Un mayor tiempo de transmisión aumenta el consumo y por lo tanto disminuye la vida útil de la batería, por lo que debe lograrse una solución de compromiso entre consumo, velocidad y alcance.

La tecnología LoRa es capaz de demodular señales 19.5 dB por debajo del piso de ruido, mientras que otros sistemas requieren una señal que este entre 8 y 19 dB por encima de ese umbral. Esto le permite alcanzar distancias de hasta 6 km en zonas urbanas y 18 km en zonas rurales. Otra característica de Lora es la capacidad de demodular varias señales simultáneamente en la misma frecuencia si tienen distintos valores de SF, creando así diferentes “canales virtuales” que no se interfieren, y aumentando de esta manera la capacidad del Gateway [4]

La disponibilidad de canales LoRa es la siguiente: [4]

• Upstream: 64 canales de 125 kHz de ancho de banda comenzando en 915.2 MHz e incrementando linealmente 200 kHz hasta 927.8 MHz
• Upstream: 8 canales de 500 kHz de ancho de banda comenzando en 915.9 MHz e incrementando linealmente 1.6 MHz hasta 927.1 MHz
• Downstream: 8 canales de 500 kHz de ancho de banda comenzando en 923.3 MHz e incrementando linealmente 600 KHz hasta 927.5 MHz

LoRaWAN se implementa en la parte superior de la capa física LoRa y especifica el protocolo de comunicaciones y la arquitectura de red. La arquitectura de red tiene una topología del tipo estrella o “estrella de estrellas” ya que los nodos se pueden comunicar con mas de un Gateway, los cuales se comunican con el Servidor de red.

• Los nodos recopilan información a través de sensores de distintos tipos y la transmiten (upstream) al Gateway empleando un enlace de radio. También pueden recibir información o comandos desde el servidor de aplicaciones, pero el flujo de información es netamente asimétrico, predominando la subida.
• Los Gateway o concentradores retransmiten los datos entre los nodos y los servidores.
• El servidor de red se conecta a varios Gateway empleando una conexión TCP/IP segura a través de Ethernet, WiFi o 4G. Gestiona el comportamiento de los Gateway y los nodos a los fines de aprovechar al máximo las capacidades de la red y mantener al mínimo el consumo de energía en los nodos
• El servidor de aplicaciones almacena y analiza los datos enviados por los nodos y eventualmente determina si hay que realizar alguna acción.

Los nodos pueden operar en una de tres clases o categorías de funcionamiento [12]:

• Clase A: El dispositivo se mantiene en un modo de ahorro de energía la mayor parte del tiempo. Cuando debe enviar información se activa y transmite, abriendo también una ventana de recepción por si el Gateway tiene información o comandos de su interés. Sólo en este momento puede recibir datos. Es el modo que produce el mayor ahorro de energía.
• Clase B: El nodo se activa y se comunica con la red a intervalos de tiempo regulares sincronizados con una señal de la red, aunque no haya datos para transmitir. Puede recibir información o comandos en ese momento. La sincronización puede ser dificultosa sobre todo por la deriva causada por el agotamiento dispar de las baterías.
• Clase C: Enlace continuo a la red. Puede enviar y recibir información en cualquier momento. Se emplea este modo cuando el consumo no es un problema pero se necesita lograr gran alcance.

Las redes LoRaWAN proveen dos mecanismos de seguridad: autenticación de dispositivos y encriptación de mensajes. La autenticación se realiza entre un nodo y la red a la cual está conectado. Sólo los nodos autorizados se pueden conectar a la red. Por otra parte, los mensajes se encriptan de extremo a extremo empleando cifrado AES de 128 bits.

Estas medidas aseguran que:

• No se pueda alterar el tráfico en la red
• Sólo los nodos autorizados puedan conectarse a la red
• El tráfico a través de la red no puede ser accedido ni capturado.

Una diferencia fundamental entre SigFox y Lora es que éste último permite que el usuario final monte su propia red, incluyendo los nodos, gateway y network server.

Para el desarrollo de los nodos pueden encontrarse módulos de distintos fabricantes como Microchip, Atmel, HopeRF, PyCom o mDot, todos basados en radios Semtech SX127X.

Sin embargo, la implementación de una infraestructura de red completa puede ser una inversión importante que se justifica sólo para una cantidad importante de nodos. Caso contrario conviene contratar el servicio a un prestador si lo hubiera.

Weightless

Es un conjunto de estandares semi abiertos propuestos por un grupo de empresas reunidas en el Weightless Special Interest Group (SIG). Este grupo ha publicado tres estándares, conocidos como Weightless-W, weightless-N y Weightless-P, con distintas características.[8]

Weightless-W: Fue diseñado para operar en el espectro TVWS (TV White Spaces que utiliza espacios libres dentro del espectro asignado a la TV [8] ) y es el que mejor alcance tiene en comparación con los otros dos. Soporta un amplio rango de técnicas de modulación, como DBPSDK y QAM.

Los paquetes de datos pueden ser de hasta 10 bytes con una velocidad de transferencia entre 1 Kbps y 10 Mbps. Para mejorar la eficiencia energética, los nodos se comunican con los gateway en un espectro angosto y una potencia baja, lográndose distancias de hasta unos 5 km [10] Como el uso de TVWS no está permitido en muchos países [11], se introdujeron las otras variantes N y P.

Weightless-N: Es similar a Sigfox y usa la banda no licenciada ISM, soportando sólo la comunicación unidireccional desde los nodos a la estación base. Puede lograr distancias de comunicación de hasta 3 Km con una velocidad máxima de 100 Kbps [5]

Weightless-P: es la variante mas reciente. Ofrece una comunicación bidireccional como la variante W, pero con un ancho de banda angosto como la versión N [10]. Emplea la banda no licenciada con esquemas de modulación GMSK y QPSK. Alcanza una velocidad de hasta 100 Kbps a distancias de 2 Km [8]

DASH-7

Es un estándar libre y abierto impulsado por empresas y universidades de todo el mundo que constituyen el grupo DASH7 Alliance. El protocolo emplea bandas ISM no licenciadas, con una velocidad de transmisión variable entre los 9 kbps hasta los 166 kbps. Tiene un alcance de hasta 5 km, aunque se recomiendan enlaces con rango menor a 1 km. [10] Utiliza modulación GFSK y canales con un ancho de banda de 25 o 200 kHz [5]

NB-IoT

NB-IoT (Narrow Band Internet Of Things) es una solución de LPWAN que opera en bandas del espectro licenciadas y forma parte de la red celular LTE. Fue definido en 2016 por 3GPP y se beneficia del amplio ecosistema ofrecido por esta red y los operadores de telefonía móvil.

NB-IoT es un subconjunto de LTE con funcionalidades reducidas a los fines de disminuir el consumo de energía, concentrándose en los aspectos indispensables de las aplicaciones IoT, como la transmisión esporádica de pequeños paquetes de información.

Aprovecha la infraestructura de red celular, requiriendo sólo actualizaciones de software en los equipos de los prestadores, lo que significa una baja inversión para su puesta en marcha. Gracias a la baja periodicidad de las transmisiones, permite conectar hasta 100.000 dispositivos por celda.

Las características destacadas de NB-IoT son:

• Utiliza bandas licenciadas sub-GHz.
• Brinda comunicación bidireccional half-dúplex
• El uplink es prioritario y emplea FDMA (Frequency Division Multiple Access)
• El downlink emplea OFDMA (Orthogonal FDMA) lo que elimina la posibilidad de interferencia
• Utiliza modulación QPSK
• La velocidad de subida máxima es de 20 Kbps y de 200 Kbps en la bajada
• El payload o carga útil de datos es de 1600 bytes por mensaje
• Latencia 1.6 a 10 seg
• Enviando aproximadamente 200 bytes por día se estima una duración de la batería de años.

En el pasado, muchas aplicaciones hacían uso de GPRS a través de la red GSM, pero es una tecnología que consume mas energía que NB-IoT ya que no ha sido originalmente diseñada teniendo en mente dispositivos alimentados con pequeñas baterías. NB-IoT, gracias al uso de un ancho de banda mas angosto tiene una sensibilidad mayor (el ruido es proporcional al ancho de banda) del orden de 20 dB por sobre GPRS, lo que permite lograr una gran cobertura con pequeñas potencias.

Al ser un subconjunto de LTE, NB-IOT hereda el Bloque de Recursos Físicos (PRB), que es el mínimo elemento de información que puede ser asignado por el eNB a un terminal móvil [12] y tiene un ancho de 180 KHz. Este ancho de banda se pueden subdividir en 12 canales de 16 KHz o en 48 canales de 3,75 KHz para aplicaciones que requieran cubrir mayores distancias. Este ancho de banda puede situarse en el espectro de distintas formas, de acuerdo a la configuración elegida por el prestador del servicio:

• Autónoma (Stand-alone): Se reutilizan zonas en desuso de GSM
• En banda de guarda: Ubicada en la banda de separación entre dos portadoras adyacentes de LTE
• En banda: Un PRB de LTE se reserva específicamente para el uso de NB-IoT.

El bajo consumo de los dispositivos NB-Iot se logra a través de dos técnicas: Discontinuos Reception (DRX) y Power Save Mode (PSM) que ya se emplean en LTE.

El primero es un modo de funcionamiento en que el dispositivo no está permanentemente a la escucha de señales de radio y entra a un modo de bajo consumo durante un período de tiempo.

En NB-IoT se introdujo una mejora, el eDRX (enhaced DRX) que permite alargar el tiempo durante el cual se mantiene la radio desconectada hasta un valor cercano a las 3 hs, ahorrando batería.

El segundo (PSM) es un modo de trabajo donde el dispositivo se desconecta de la red y se vuelve inalcanzable. Al despertar, se vuelve a conectar para estar disponible. Este tiempo de desconexión es programable y puede llegar a ser de hasta 413 días [13]

LTE-M (Cat-M1)

Es otra derivación de LTE y comparte muchos aspectos con NB-IoT.

Se diferencia fundamentalmente en que permite el uso de Roaming, es decir ir cambiando antenas, lo que habilita su uso en dispositivos móviles, mientras que NB-IoT está pensado para equipos fijos.

Las características distintivas son:

• Emplea canales de 1.4 MHz
• Velocidad de uplink/downlink de hasta 1 Mbps (en la práctica 100 a 300 Kbps)
• Latencia de 10 a 15 ms
• Bajo costo
• Bajo consumo
• Permite FOTA Update (Firmware Over the Air Update).

Conclusión

A la hora de seleccionar una tecnología de comunicaciones no se deben tener en cuenta sólo las características técnicas relacionadas con la velocidad de transmisión, alcance o consumo de potencia sino que también deben incluirse factores económicos relacionados con el costo de los dispositivos, de la implementación de una red y su mantenimiento o de la suscripción a un servicio. También debe tenerse en cuenta la escalabilidad de la tecnología seleccionada, la disponibilidad de módulos y equipos en el mercado local, etc.

Bibliografía