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Redes LPWAN

Una red de área amplia de baja potencia (LPWAN – Low-Power Wide-Area Network) o red de baja potencia (LPWA – Low-Power Wide-Area) o red de baja potencia (LPN – Low-Power Network) es un tipo de red de área amplia de telecomunicaciones inalámbricas diseñada para permitir comunicaciones de largo alcance a una velocidad de bits baja entre objetos conectados, como sensores operados con una batería. La baja potencia, la baja velocidad de bits y el uso previsto distinguen este tipo de red de una WAN inalámbrica en que la WAN está diseñada para conectar usuarios o empresas, y transportar más datos, utilizando más potencia. La tasa de datos LPWAN varía de 0,3 kbit/s a 50 kbit/s por canal.

Las redes LPWAN trabajan en la banda ISM libres sin necesidad de licencia.

Redes LPWAN: https://en.wikipedia.org/wiki/LPWAN

Banda ISM

ISM (Industrial, Scientific and Medical) son bandas reservadas internacionalmente para uso no comercial de radiofrecuencia electromagnética en áreas industrial, científica y médica. En la actualidad estas bandas han sido popularizadas por su uso en comunicaciones WLAN (e.g. Wi-Fi) o WPAN (e.g. Bluetooth).

El uso de estas bandas de frecuencia está abierto a todo el mundo sin necesidad de licencia, respetando las regulaciones que limitan los niveles de potencia transmitida. Este hecho fuerza a que este tipo de comunicaciones tengan cierta tolerancia frente a errores y que utilicen mecanismos de protección contra interferencias, como técnicas de ensanchado de espectro

Espectro electromagnético:

Más información:

Bandas ISM:

Frecuencias de LoRa:

En Europa, la banda de 863 a 870 MHz ha sido asignada para operación sin licencia usando FHSS, DSSS o modulación analógica con un ciclo de transmisión de 0.1%, 1% o 10% dependiendo de la banda, o Listen Before Talk (LBT) con Adaptive Frequency Agility (AFA). Aunque esta banda pertenece al rango de dispositivos de corto alcance, se está utilizando en redes de telecomunicaciones inalámbricas de red de área extensa de baja potencia (LPWAN), diseñadas para permitir comunicaciones de largo alcance a una velocidad de bits baja entre objetos (objetos conectados).

Dentro de las bandas libres existen varias posibilidades:

  • Banda 2,4 GHz usando WiFi, Bluetooth o Zigbee.
  • Banda 5 GHz usado WiFi
  • Banda de 868 MHz con opción de usar Zigbee, LoRa o Sigfox
  • Banda de 434 MHz.
  • Frecuencias RFID (13,56 MHz, 125 kHz, etc).

El standard de 868 MHz porque ofrece unas características superiores en cuanto al alcance (es 2 o 3 veces mayor que los standards mencionados anteriormente en la banda de 2,4 GHz). El coste de la implementación es relativamente bajo. El consumo de energía es bajo.

La versión de 868 MHz no está disponible en todo el mundo. En los EEUU se requiere una banda de 915 MHz. El hardware para ambos standards es idéntico sin embargo requieren versiones de software distintas.

La banda de 433 MHz es ligeramente mejor respecto al alcance pero no garantiza una transmisión segura de los datos. Debido a que muchos dispositivos trabajan en esta banda, especialmente controles remotos, es frecuente que se produzcan perturbaciones en la transmisión.

868 vs 433: http://www.hkvstar.com/technology-news/433mhz-or-868mhz-wireless-alarm-system-what-s-the-difference.html

Las frecuencias RFID no sirven para medidas de temperatura ya que presentan un alcance muy reducido. Estas frecuencias se suelen utilizar en etiquetas pasivas donde el alcance está limitado a menos de un metro.

LoRa es una modulación patentada dentro de la banda ISM de 868 MHz.

La radio sub-GHz no está diseñada para transmitir audio o video. Se usa mejor para pequeños paquetes de datos. La velocidad de datos es ajustable, pero es común mantener alrededor de 19.2 Kbps. Las velocidades de datos más bajas tendrán más éxito en sus transmisiones.

LPWAN

Una red de área amplia de baja potencia (LPWAN – Low-Power Wide-Area Network) o red de baja potencia (LPWA – Low-Power Wide-Area) o red de baja potencia (LPN – Low-Power Network) es un tipo de red de área amplia de telecomunicaciones inalámbricas diseñada para permitir comunicaciones de largo alcance a una velocidad de bits baja entre objetos conectados, como sensores operados con una batería. La baja potencia, la baja velocidad de bits y el uso previsto distinguen este tipo de red de una WAN inalámbrica en que la WAN está diseñada para conectar usuarios o empresas, y transportar más datos, utilizando más potencia. La tasa de datos LPWAN varía de 0,3 kbit/s a 50 kbit/s por canal.

Una LPWAN se puede usar para crear una red privada de sensores inalámbricos, pero también puede ser un servicio o infraestructura ofrecida por un tercero, lo que permite a los propietarios de sensores implementarlos en el campo sin invertir en tecnología ni infraestructura.

Redes LPWAN: https://en.wikipedia.org/wiki/LPWAN

Hay una serie de estándares y proveedores que compiten en el espacio LPWAN, el más destacado de los cuales incluye:

  • LoRa: LoRa es una tecnología patentada de modulación de radio de espectro expandido (CSS) para LPWAN utilizada por LoRaWAN, Haystack Technologies y Symphony Link.
  • LoRaWan: LoRaWAN es un protocolo de capa de control de acceso a medios para gestionar la comunicación entre las pasarelas LPWAN y los dispositivos de nodo final, mantenidos por LoRa Alliance.
  • Ultra Narrow Band (UNB): UNB, Ultra Narrow Band, tecnología de modulación utilizada por LPWAN por varias compañías entre ellas Sigfox
  • Otros: DASH7, MySensors, NarrowBand IoT (NB-IoT), etc…

Comparativa LPWAN:

Mercado LPWAN:

El ecosistema LPWAN comprende proveedores como Semtech Corporation (EE. UU.), LORIOT (Suiza), NWave Technologies (Reino Unido), SIGFOX (Francia), WAVIoT (Texas, EE. UU.), Actility (Francia), Ingenu (San Diego, EE. UU.) , Link Labs (Maryland, EE. UU.), Weightless SIG, y Senet, Inc. (Portsmouth, Reino Unido), ResIOT (Italia) y otros como proveedores de servicios y empresas. Otras partes interesadas en el mercado de redes LPWAN incluyen operadores de telecomunicaciones como Vodafone (U.K.) y Orange (Francia), entre otros, que integran estos dispositivos inteligentes y los venden a los usuarios finales para satisfacer sus requisitos comerciales únicos.

Más información LPWAN (área extensa de baja energía):

LoRaWAN

LoRaWAN es una especificación para redes de baja potencia y área amplia, LPWAN (en inglés, Low Power Wide Area Network) propuesta por la LoRa Alliance, diseñada específicamente para dispositivos de bajo consumo de alimentación, que operan en redes de alcance local, regional, nacionales o globales. La especificación cubre las capas PHY y MAC de la red, dejando a las aplicaciones el resto de capas. En la banda ISM de 868MHz (915 MHz en otras regiones), con un bitrate de hasta decenas de kbps (de 0.3 kbps hasta  50 kbps).

El estándar de red LoRaWAN apunta a requerimientos característicos de Internet de las Cosas, tales como conexiones bidireccionales seguras, bajo consumo de energía, largo alcance de comunicación, bajas velocidades de datos, baja frecuencia de transmisión, movilidad y servicios de localización. Permite la interconexión entre objetos inteligentes sin la necesidad de instalaciones locales complejas, y además otorga amplia libertad de uso al usuario final, al desarrollador y a las empresas que quieran instalar su propia red para Internet de las Cosas.

La red LoRaWAN (Long Range) es interesante por:

  • Consume tan poco que permite que los dispositivos puedan funcionar años con batería. Para conseguir esto se activa de forma periódica.
  • Tiene un gran alcance que permite llegar a los equipos de difícil acceso (garajes, sótanos, montañas)
  • Ser una red bidireccional
  • Velocidades de datos desde 0.3 kbps a 50 kbps
  • LoRa es una tecnología de comunicación muy interesante en el ámbito IoT.

Elementos en una red LoRa:

  • Dispositivo LoRa
  • Gateway o Pasarela
  • Red IP pública – Cloud
  • Servicios

La arquitectura de red típica, es una red de Redes en Estrella, de forma que la primera estrella está formada por los dispositivos finales y las puertas de enlace, y la segunda estrella está formada por las puertas de enlace y un servidor de red central. En este caso las puertas de enlaces son un puente transparente entre los dispositivos finales y el servidor de red central. Uno o más dispositivos finales se conectan a una o más puertas de enlace, mediante una conexión inalámbrica de un solo salto, usando tecnología RF LoRa™ o FSK, formando así una red en estrella.

Una o más puertas de enlace se conectan al servidor de red central por medio de conexiones IP estándar, formando así una red en estrella. Las comunicaciones entre los dispositivos y el servidor de red, son generalmente unidireccionales o bidireccionales, pero el estándar también soporta multidifusión, permitiendo la actualización de software en forma inalámbrica, u otras formas de distribución de mensajes en masa.

La comunicación entre dispositivos finales y las puertas de enlace se hacen en diferentes canales de frecuencias y a distintas velocidades de datos. La selección de la velocidad de datos es un compromiso entre la distancia de alcance, y la duración y consumo de energía del mensaje.

Las velocidades de datos se encuentran en el rango de 0.3 kbps a 50 kbps. Para maximizar en forma conjunta la duración de la batería de los dispositivos finales y la capacidad de la red, el servidor central LoRaWAN maneja la velocidad de datos para cada dispositivo en forma individual, por medio de un esquema adaptativo de velocidad de datos (o ADR, adaptive data rate en inglés).

Más información: https://es.wikipedia.org/wiki/LoRaWAN

LoRaWAN es un protocolo de capa de control de acceso a medios para gestionar la comunicación entre las pasarelas LPWAN y los dispositivos de nodo final, mantenidos por LoRa Alliance.

LoRaWAN define el protocolo de comunicación y la arquitectura del sistema para la red, mientras que la capa física LoRa habilita el enlace de comunicación de largo alcance. LoRaWAN también es responsable de gestionar las frecuencias de comunicación, velocidad de datos y potencia para todos los dispositivos. Los dispositivos en la red son asincrónicos y transmiten cuando tienen datos disponibles para enviar. Los datos transmitidos por un dispositivo de nodo final son recibidos por múltiples puertas de enlace (gateway), que reenvían los paquetes de datos a un servidor de red centralizado. El servidor de red filtra paquetes duplicados, realiza comprobaciones de seguridad y administra la red. Los datos se envían a los servidores de aplicaciones.

Las principales características de LoRaWAN son:

  • Topología estrella
  • Alcance de 10 a 15km en línea de vista
  • Encriptación AES 128
  • Soporte para 3 clases de nodos
  • Administración de dispositivos
  • Redes públicas y privadas
  • Bajo consumo y largo alcance
  • Baja transferencia de datos (hasta 242 bytes)

Algunas plataformas basadas en LoRaWAN incluyen:

  • Globalsat, both a public LoRaWAN and private LoRa Nodes solution provider for WW, include Europe, US, Asia region and Japan market
  • ThingsConnected, a free platform provided by the UK Digital Catapult
  • iFrogLab, public LoRaWAN and LoRa provider for North America and Taiwan
  • IoT-X, platform from Stream Technologies for public and private networks
  • ResIOT.io, platform for private, public networks and IoT projects
  • OpenChirp, open management layer on top of LoRaWAN, developed at Carnegie Mellon University, for data context, storage, visualization, and access control.The primary objective is to simplify the experience of adding and operating new devices in the network, as well as improving performance for communities that share bandwidth and locality.
  • The Things Network, a free and open-source LoRaWAN network provider developed and supported by a worldwide community. https://www.thethingsnetwork.org/
  • Everynet, provides a platform and gateways for Lora use in the Americas, Europe, China.
  • ThingPark Wireless, platform from Actility based on LoRaWAN
  • Senet, public LoRaWAN provider in North America
  • Un operador de LoRaWAN que ofrece gateways y un plataforma cloud es LORIOT: https://www.loriot.io/

Redes LoRaWan en Korea y Holanda: https://www.rcrwireless.com/20160704/carriers/operators-korea-netherlands-deploy-lora-networks-iot-tag23

Lora Alliance:

The things network (TTN)

The Things Network está construyendo una red para el Internet de las cosas mediante la creación de abundante conectividad de datos. La tecnología utilizada es LoRaWAN y permite que las cosas hablen a Internet sin 3G o WiFi. No hay códigos WiFi ni suscripciones a dispositivos móviles. Presenta bajo consumo de batería, largo alcance y bajo ancho de banda. Perfecto para Internet de las cosas.

The Things Network (TTN) es una iniciativa basada en la comunidad para establecer una red global de IoT. La iniciativa fue lanzada por Wienke Giezeman en 2015 y actualmente cubre más de 3.000 pasarelas LoRaWAN instaladas en más de 90 países. Los voluntarios se encargan de la construcción, el cuidado y el pago de los portales.

En Amsterdam, ha sido posible cubrir gran parte del área urbana en solo unas pocas semanas. Los Países Bajos ya están ampliamente abastecidos con TTN. Lo mismo se aplica a Zurich, Berna y Berlín. En Berlín, se necesitaron solo nueve meses para brindar acceso a LoRaWAN a aproximadamente 3,500,000 personas.

Más de 30,000 voluntarios de todo el mundo participan ahora en la creación del “Internet de las cosas” (IoT) en red más grande del mundo.

Más información:

Interesante artículo sobre el uso de TTN con MQTT:  https://sandervandevelde.wordpress.com/2016/07/09/access-the-things-network-telemetry-using-c-m2mqtt/

Web: https://www.thethingsnetwork.org/

The things gateway: https://www.thethingsnetwork.org/docs/gateways/gateway/

Lista de gateways de thethingsnetwork:

Productos de the things network: https://www.element14.com/community/docs/DOC-83471

Wiki: https://www.thethingsnetwork.org/wiki/Hardware/Gateways/Home

Más información:

LoRa

LoRa es un nuevo esquema de modulación para radios de baja potencia. Está patentado, por lo que hay algo de información disponible. Pero también es propietario, lo que significa que necesita una licencia para producir un chip de radio que use la codificación. LoRa se comercializa como una red de área amplia para Internet de las cosas.

LoRa es una tecnología patentada (EP2763321 de 2013 y US7791415 de 2008) desarrollada por Cycleo (Grenoble, Francia) y adquirida por Semtech en 2012. LoRa utiliza bandas de frecuencia de radio subgigahertz sin licencia como 169 MHz, 433 MHz, 868 MHz (Europa) y 915 MHz (América del Norte).

El formato de modulación de LoRa puede ser generado por piezas Semtech LoRa, incluidos los chips transceptores SX1272 y SX1276. Es una forma económica y eficiente de obtener ganancia de procesamiento en un pequeño transceptor a escala de chip. Funciona con una familia de chips de estación base altamente integrados (SX1301 y SX1257) con alta capacidad, por lo que puede usarla para construir redes punto a multipunto bastante sofisticadas. Más información en https://www.link-labs.com/blog/what-is-lora

La tecnología LoRa de Semtech ofrece características excepcionales como alta sensibilidad de recepción y modulación de espectro ensanchado que permite a estas radios aumentar drásticamente el rango a bajas tasas de bits, mientras sigue funcionando con una potencia de salida de batería (20dBm / 100mW) y modo de reposo de potencia ultrabaja. Estas radios también son compatibles con las modulaciones FSK, pero están destinadas a ser utilizadas con la tecnología de modulación LoRa (Long Range).

Transceivers de LoRa: https://www.semtech.com/products/wireless-rf/lora-transceivers

LoRa es el tipo de modulación en radiofrecuencia patentado por Semtech y que entre sus principales ventajas se encuentra:

  • Alta tolerancia a las interferencias
  • Alta sensibilidad para recibir datos (-168dB)
  • Basado en modulación chirp
  • Bajo Consumo (hasta 10 años con una batería*)
  • Largo alcance 10 a 20km
  • Baja transferencia de datos (hasta 255 bytes)
  • Conexión punto a punto
  • Frecuencias de trabajo: 915Mhz América, 868 Europa, 433 Asia

LoRa quizá sea más adecuada para usar en aplicaciones discretas como edificios inteligentes o campus donde uno es necesaria una red celular. LoRaWAN se refiere a redes públicas amplias basadas en LoRa.

Moteino son una placas basadas en Arduino pensadas para bajo consumo con LoRa: https://lowpowerlab.com/guide/moteino/lora-support/

LoRa vs Zigbee: http://www.rfwireless-world.com/Terminology/LoRa-vs-Zigbee.html

LoRaWan vs Sigfox

Lora pros:

  • De uso gratuito, puede configurar su propia red
  • Envía tantos mensajes como quieras, a buenas velocidades de hasta 50 Kb/s
  • Alcance muy largo (algunos kilómetros en ciudades, hasta 40 km en áreas rurales con antenas direccionales)
  • Bastante poca potencia, dependiendo de la amplificación de su radio, no tan baja como BTLE pero mucho mejor que la celular
  • Coger y elegir la frecuencia que legalmente está permitido usar

Lora contras:

  • Debe administrar su propia red y gateways
  • Chips solo disponibles de SemTech, y bajo patente

Sigfox pros:

  • Red de backend incluida
  • Alcance muy largo (algunos kilómetros en ciudades, hasta 40 km en áreas rurales con antenas direccionales)
  • Muy poca potencia

Sigfox contras

  • Servicio pago por suscripción
  • Ultra lento: 100 bytes / seg
  • No disponible en todas partes, comprobar cobertura https://www.sigfox.com/en/coverage
  • Limite mensajes de subida de 140 x 12 bytes y mensajes de descarga de 4 x 8 bytes al día.
  • Frecuencia fija por ubicación

Buena explicación de Adafruit para LoRa y Sigfox: https://learn.adafruit.com/alltheiot-transports/lora-sigfox

Más información de sigfox y lora https://www.linkedin.com/pulse/iot-how-connect-devices-vasco-barreiros

Interesante: https://austinstartups.com/carriers-aim-to-crush-lora-sigfox-and-others-4d38adc8cc32

Transceivers LoRa

Existen muchos módulos LoRa disponibles en el mercado que podemos usar con Arduino usando las librerías que nos proporcionan.

Semtech

Semtech fabrica diversos módulos LoRa. Los módulos Lora de Semtech son: https://www.semtech.com/products/wireless-rf/lora-transceivers y los gateways: https://www.semtech.com/products/wireless-rf/lora-gateways

El SX1272 es un módulo de Semtech LoRa https://www.semtech.com/products/wireless-rf/lora-transceivers/SX1272

Datasheet: https://www.semtech.com/uploads/documents/sx1272.pdf

Otros módulos de Semtech: https://www.semtech.com/products/wireless-rf

Microchip

Microchip fabrica diversos módulos LoRa RN2903 y RN2483. Ver https://www.microchip.com/design-centers/wireless-connectivity/low-power-wide-area-networks/lora-sup-reg-sup-technology

Comprar: https://www.digikey.es/es/product-highlight/m/microchip-technology/rn2903-and-rn2483-rf-transceiver-modules

Módulo LoRa de Microchip:

Datasheet:

Es un excelente módulo que implementa completamente la pila LoRaWAN. El microcontrolador se comunica con él a través de USART con una estructura de comando simple para configurarlo y enviar / recibir mensajes. El módulo también tiene varios pines GPIO disponibles. Este es el módulo preferido en The Things Network, y hay muchos excelentes proyectos de ejemplo y códigos en Internet para ayudarlo a comenzar.

Hoperf

Hoperf fabrica diversos módulos Lora:http://www.hoperf.com/rf_transceiver/lora/

Los módulos de RFM son pequeños y baratos, lo cual es ideal para proyectos de IoT. Sin embargo, tienen una limitación si desea usarlos con LoRaWAN: la pila no está implementada en el módulo, dejando esa carga al microcontrolador. La pila LoRaWAN requiere bastante espacio de código y es difícil de implementar en algunos microcontroladores de 8 bits.

RFM95W: http://www.hoperf.com/rf_transceiver/lora/RFM95W.html

RFM96W: http://www.hoperf.com/rf_transceiver/lora/RFM96W.html

RFM98W: http://www.hoperf.com/rf_transceiver/lora/RFM98W.html

Datasheet módulos LoRa: http://www.hoperf.com/upload/rf/RFM95_96_97_98W.pdf

Estos son los módulos usados por Moteino: https://lowpowerlab.com/guide/moteino/

Hoperf fabrica otros módulos Sub-GHz como el RFM69 que no usanLora: http://www.hoperf.com/rf_transceiver/

Placa con RFM95/96(W):

LoRa Shield como módulo RFM: https://www.seeedstudio.com/Dragino-LoRa-Shield-support-433M-frenquency-p-2672.html

Otros

Existen otros fabricante de módulos Lora como:

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