LoRa® es la capa física o la modulación inalámbrica utilizada para crear el largo enlace de comunicación de rango. Muchos sistemas inalámbricos heredados usan desplazamiento de frecuencia como capa física porque es muy eficiente modulación para lograr baja potencia. LoRa® se basa en el espectro extendido de chipmodulación, que mantiene las mismas características de baja potencia que la modulación FSK pero aumenta significativamente el rango de comunicación.

Chip extendido espectro se ha utilizado en comunicaciones militares y espaciales durante décadas debido a la larga distancias de comunicación que se pueden lograr y solidez a la interferencia, pero LoRa® es la primera implementación de bajo costo para uso comercial.
Largo alcance (LoRa®)

La ventaja de LoRa® está en el largo alcance de la tecnología
capacidad. Una sola puerta de enlace o la estación base puede cubrir todo ciudades o cientos de cuadrados kilómetros Rango altamente

Una tecnología no puede servir a todas las aplicaciones y volúmenes proyectados para IoT. WiFi y BTLE son estándares ampliamente adoptados y sirven las aplicaciones relacionadas con comunicando dispositivos personales bastante bien. La tecnología celular es ideal para aplicaciones que necesitan un alto rendimiento de datos y tienen una fuente de energía. LPWAN ofrece duración de la batería de varios años y está diseñado para sensores y aplicaciones que necesitan enviar pequeñas cantidades de datos a largas distancias varias veces por hora, variando ambientes

Los factores más críticos en una LPWAN son:

• Red de arquitectura
• rango de comunicación
• Duración de la batería o baja potencia.
• Robustez a la interferencia.
• Capacidad de red (número máximo de nodos en una red)
• Seguridad de la red
• Comunicación unidireccional vs bidireccional
• Variedad de aplicaciones servidas

LoRaWAN ™ define el protocolo de comunicación y la arquitectura del sistema para red mientras que la capa física LoRa® habilita el enlace de comunicación de largo alcance.

El protocolo y la arquitectura de red tienen la mayor influencia en la determinación de duración de la batería de un nodo, la capacidad de la red, la calidad del servicio, la seguridad, y la variedad de aplicaciones atendidas por la red.

 

 

 

Red de arquitectura

Muchas redes desplegadas existentes utilizan una arquitectura de red en malla. En una malla red, los nodos finales individuales reenvían la información de otros nodos a aumentar el rango de comunicación y el tamaño de la celda de la red. Mientras esto aumenta el rango, también agrega complejidad, reduce la capacidad de la red y reduce la batería vida útil ya que los nodos reciben y reenvían información de otros nodos que es probable irrelevante para ellos. La arquitectura estelar de largo alcance tiene más sentido para preservar
duración de la batería cuando se puede lograr conectividad de largo alcance.

En una red LoRaWAN ™, los nodos no están asociados con una puerta de enlace específica. En lugar, los datos transmitidos por un nodo generalmente son recibidos por múltiples puertas de enlace. Cada la puerta de enlace reenviará el paquete recibido desde el nodo final a la nube servidor de red a través de alguna red de retorno (ya sea celular, Ethernet, satélite o Wi-Fi).

La inteligencia y la complejidad se envían al servidor de red, que administra la red y filtrará los paquetes recibidos redundantes, realizará comprobaciones de seguridad, programar reconocimientos a través de la puerta de enlace óptima y realizar datos adaptables velocidad, etc. Si un nodo es móvil o está en movimiento, no se necesita transferencia desde la puerta de enlace a la puerta de enlace, que es una característica crítica para habilitar las aplicaciones de seguimiento de activos, una de las principales
aplicación de destino vertical para IoT.

Duración de la batería

Los nodos en una red LoRaWAN ™ son asíncronos y se comunican cuando pueden tener datos listos para enviar, ya sea por eventos o programados. Este tipo de protocolo es típicamente conocido como el método Aloha. En una red de malla o con un síncrono red, como celular, los nodos con frecuencia tienen que «despertarse» para sincronizarse con la red y verifica si hay mensajes. Esta sincronización consume mucho energía y es el principal impulsor de la reducción de la vida útil de la batería. En una reciente estudio y comparación realizada por GSMA de las diversas tecnologías que abordan el Espacio LPWAN, LoRaWAN ™ mostró una ventaja de 3 a 5 veces en comparación con todos las demás Opciones tecnológicas.

Capacidad de red

Para que una red estelar de largo alcance sea viable, la puerta de enlace debe tener un nivel muy alto capacidad o capacidad para recibir mensajes de un volumen muy alto de nodos. Con la capacidad de red en una red LoRaWAN ™ se logra utilizando datos adaptativos tasa y mediante el uso de un transceptor multicanal multicanal en la puerta de enlace para que se pueden recibir mensajes simultáneos en múltiples canales. Los factores críticos la capacidad de efecto es el número de canales concurrentes, velocidad de datos (tiempo en el aire), el longitud de la carga útil y con qué frecuencia transmiten los nodos.

LoRa® es una modulación basada en espectros dispersos, las señales son prácticamente ortogonales entre sí cuando son diferentes
Se utilizan factores de propagación. A medida que cambia el factor de propagación, la velocidad de datos efectivaTambién cambia. La puerta de enlace aprovecha esta propiedad al poder recibir múltiples velocidades de datos diferentes en el mismo canal al mismo tiempo. Si un nodo tiene un buen enlace y está cerca de una puerta de enlace, no hay razón para que siempre use el más bajo velocidad de datos y llenar el espectro disponible más tiempo del necesario. Al cambiar el velocidad de datos más alta, el tiempo en el aire se acorta abriendo más espacio potencial para otros nodos para transmitir. La velocidad de datos adaptativa también optimiza la vida útil de la batería de un nodo. Para que la velocidad de datos adaptativa funcione, enlace ascendente simétrico y enlace descendente
se requiere con suficiente capacidad de enlace descendente. Estas características permiten un LoRaWAN ™ red para tener una capacidad muy alta y hacer que la red sea escalable.

Una red puede desplegarse con una cantidad mínima de infraestructura y, a medida que se necesite capacidad, se pueden agregar más puertas de enlace, aumentando las velocidades de datos, reduciendo la cantidad de escuchar a otras puertas de enlace y aumentar la capacidad en 6-8x. Otro LPWAN las alternativas no tienen la escalabilidad de LoRaWAN ™ debido a compensaciones tecnológicas, que limitan la capacidad del enlace descendente o hacen que el rango del enlace descendente sea asimétrico al rango de enlace ascendente.

Clases de dispositivos: no todos los nodos son iguales. Los dispositivos finales sirven para diferentes aplicaciones y tienen diferentes requisitos. En orden Para optimizar una variedad de perfiles de aplicaciones finales, LoRaWAN ™ utiliza diferentes dispositivos clases Las clases de dispositivos intercambian la latencia de comunicación de enlace descendente de la red versus duración de la batería. En una aplicación de control o de tipo actuador, el enlace descendente La latencia de comunicación es un factor importante.

Dispositivos finales bidireccionales (clase A): los dispositivos finales de clase A permiten comunicaciones por las cuales la transmisión de enlace ascendente de cada dispositivo final es seguida por dos enlace descendente corto recibir ventanas. La ranura de transmisión programada por el dispositivo final se basa en sus propias necesidades de comunicación con una pequeña variación basada en un azar

las comunicaciones del servidor en cualquier otro momento deberán esperar hasta el próximo enlace ascendente programado.

Dispositivos finales bidireccionales con ranuras de recepción programadas (Clase B): además de las ventanas de recepción aleatoria de clase A, los dispositivos de clase B abren ventanas de recepción adicionales a horas programadas Para que el dispositivo final abra su ventana de recepción en el hora programada, recibe una baliza sincronizada en el tiempo desde la puerta de enlace. Esta permite que el servidor sepa cuándo está escuchando el dispositivo final.

Dispositivos finales bidireccionales con ranuras de recepción máximas (Clase C): dispositivos finales de clase C tiene ventanas de recepción casi continuamente abiertas, solo cerradas cuando se transmite.
Seguridad

Es extremadamente importante para cualquier LPWAN incorporar seguridad. LoRaWAN ™ utiliza dos capas de seguridad: una para la red y otra para la aplicación.

La seguridad de la red garantiza la autenticidad del nodo en la red. La capa de seguridad de la aplicación garantiza que el operador de red no tenga acceso a datos de la aplicación del usuario final. El cifrado AES se utiliza con el intercambio de claves utilizando un identificador IEEE EUI64.

Hay compensaciones en cada elección de tecnología, pero las características LoRaWAN ™ en arquitectura de red, clases de dispositivos, seguridad, escalabilidad de capacidad y la optimización para la movilidad aborda la más amplia variedad de posibles aplicaciones de IoT.

La especificación LoRaWAN ™ varía ligeramente de una región a otra según las diferentes asignaciones de espectro regional y los requisitos reglamentarios. Se definen las especificaciones LoRaWAN ™ para Europa y Norteamérica, pero otras las regiones aún están siendo definidas por el comité técnico. Unirse a la Alianza LoRa® como miembro contribuyente y participar en el comité técnico puede tener

Ventajas significativas para las empresas que buscan soluciones para el mercado asiático.

 

LoRaWAN ™ para Europa

LoRaWAN ™ define diez canales, ocho de los cuales tienen una velocidad de datos múltiple de 250 bps a 5,5 kbps, un único canal LoRa® de alta velocidad de datos a 11 kbps y un solo canal FSK a 50 kbps. La potencia de salida máxima permitida por ETSI en Europa es + 14dBM, con la excepción de la banda G3 que permite + 27dBm. Hay restricciones de ciclo de trabajo sin limitaciones de transmisión máxima o tiempo de permanencia del canal.LoRaWAN ™ para Norteamérica

La banda ISM para América del Norte es de 902-928MHz. LoRaWAN ™ define 64, Canales de enlace ascendente de 125kHz de 902.3 a 914.9MHz en incrementos de 200kHz. Existen ocho canales adicionales de enlace ascendente de 500KHz en incrementos de 1.6MHz de 903MHz a Los ocho canales de enlace descendente tienen un ancho de 500kHz a partir de 923.3MHz a 927.5MHz. La potencia de salida máxima en la banda de 902-928MHz de América del Norte es + 30dBm pero para la mayoría de los dispositivos + 20dBm es suficiente. Bajo FCC no hay deber limitaciones del ciclo, pero hay un tiempo de permanencia máximo de 400 ms por canal.

Modo híbrido LoRaWAN ™ para Norteamérica

La mayoría de las personas están familiarizadas con los requisitos de salto de frecuencia para FCC, que requieren más de 50 canales para ser utilizados por igual en la banda ISM. LoRaWAN ™ se define con más de 50 canales para aprovechar el espectro disponible y permitir la máxima potencia de salida.

La modulación LoRa® califica como una técnica de modulación digital, por lo que está exenta de tener que cumplir con todos los requisitos de salto de frecuencia especificados por FCC bajo un modo de operación híbrido. En modo híbrido, la potencia de salida máxima es limitado a + 21dBm y solo un subconjunto de ocho canales de los 64 canales de enlace ascendente se utiliza en modo híbrido.

De la FCC:

«Un sistema híbrido utiliza técnicas de modulación digital y salto de frecuencia en al mismo tiempo en el mismo transportista. Como se muestra en la Sección 15.247 (f), un sistema híbrido debe cumplir con el estándar de densidad de potencia de 8 dBm en cualquier banda de 3 kHz cuando la función de salto de frecuencia está desactivada. La transmisión también debe cumplir con un 0,4 segundos / tiempo de permanencia máximo del canal cuando la función de salto está activada.

No hay requisitos para que este tipo de sistema híbrido cumpla con los 500 kHz ancho de banda mínimo normalmente asociado con una transmisión DTS; y no hay número mínimo de canales de salto asociados con este tipo de sistema híbrido «.

Hay mucha actividad en el sector de IoT que compara las opciones de LPWAN tanto de un comparación técnica pero también desde una perspectiva de modelo de negocio. Redes LPWAN se están implementando ahora porque hay un sólido caso de negocios para respaldar de inmediato implementación, y el costo de implementar la red en bandas sin licencia requiere mucho menos capital que incluso una actualización de software 3G. Las preguntas que deben ser respondidas ara comparar diferentes tecnologías LPWAN son:

Flexibilidad para apuntar a una gran variedad de aplicaciones.

¿Es seguro el protocolo de comunicación?

Aspectos técnicos: alcance, capacidad, comunicación bidireccional, solidez a interferencia

Costo de la implementación de la red, costo de la lista de materiales del nodo final, costo de la batería (mayor contribuyente de BOM)

Ecosistema de proveedores de soluciones para modelos de negocios flexibles.

Disponibilidad de productos finales para garantizar el ROI de la implementación de la red.

Fortaleza del ecosistema para garantizar la calidad y la longevidad de la solución.

LoRaWAN ™ tiene importantes ahorros de costos en la implementación y requiere infraestructura en comparación con los sistemas existentes. El siguiente análisis lo realiza Talkpool que tienen una experiencia significativa en la implementación de WMBus y LoRa® soluciones.

 

Este documento técnico está patrocinado por los miembros de la alianza LoRa® y, en particular, los patrocinadores platino de la reunión de todos los miembros de noviembre de 2015.