Introducción a LoRa
LoRa es una solución de IoT de largo alcance y bajo consumo ofrecida por Semtech. Semtech y numerosas empresas líderes del sector, como Cisco, IBM y Microchip, pusieron en marcha la Alianza LoRa (Long Range, Wide Range) y se han comprometido a promover la tecnología LoRaWAN, estándar de la alianza, para satisfacer diversas necesidades de cobertura de área amplia y bajo consumo energético, así como los requisitos de aplicación de los dispositivos M2M. LoRaWAN cuenta actualmente con más de 150 miembros, entre los que se encuentran varias empresas chinas. Se ha implantado comercialmente en varios países europeos y también ha comenzado a utilizarse a nivel nacional.
Características técnicas de LoRa
El diseño de la capa física y la capa MAC de LoRa refleja plenamente cómo se han tenido en cuenta las necesidades empresariales del IoT. La capa física de LoRa utiliza tecnología de espectro ensanchado para mejorar la sensibilidad del receptor, y el terminal puede funcionar en diferentes modos de funcionamiento para satisfacer las necesidades de ahorro de energía de las distintas aplicaciones.
La arquitectura de red y la pila de protocolos de LoRa se muestran en la figura 1. La arquitectura de red incluye terminales, pasarelas, servidores de red y servidores de negocio. El nodo terminal incluye la implementación de la capa física, la capa MAC y la capa de aplicación; la pasarela se encarga del procesamiento de la capa física de la interfaz aérea; y el servidor de red se encarga del procesamiento de la capa MAC, lo que incluye la selección adaptativa de la velocidad, la gestión y selección de pasarelas, la carga del modo de la capa MAC, etc. El servidor de aplicaciones obtiene los datos de las aplicaciones del servidor de red y se encarga de mostrar el estado de las aplicaciones, las alarmas en tiempo real, etc. La capa MAC puede seguir el protocolo LoRaWAN estándar de la alianza o el protocolo MAC desarrollado por cada fabricante.
(1) Diseño de la capa física y la capa MAC de LoRa: LoRa es un sistema semidúplex, y los enlaces ascendente y descendente funcionan en la misma banda de frecuencias. El ancho de banda actual del sistema LoRa que admite un único chip nacional es de 2 Mbit/s, lo que incluye 8 canales con un ancho de banda fijo de 125 kbit/s. Cada canal de ancho de banda fijo requiere una banda de guarda de 125 kHz, lo que exige un ancho de banda del sistema de al menos 2 Mbit/s. Cada canal admite 6 factores de dispersión (SF7~12). Al añadir 1 al factor de dispersión, la sensibilidad del receptor aumenta en 2,5 dB.
El terminal utiliza la selección aleatoria de canales para evitar interferencias. Cada vez que el terminal transmite datos en enlace ascendente o retransmite datos, selecciona aleatoriamente uno de los ocho canales para el acceso. La comunicación entre el terminal y la pasarela puede utilizar diferentes velocidades, es decir, diferentes factores de dispersión (SF). La selección de la velocidad debe tener en cuenta factores como la distancia de comunicación o la intensidad de la señal, el tiempo de envío de los mensajes, etc., de modo que el terminal pueda obtener la máxima duración de la batería y maximizar la capacidad de la pasarela. Cuando las condiciones de enlace son buenas, se puede utilizar un factor de dispersión más bajo, lo que se traduce en una velocidad de datos más alta. Cuando el terminal se encuentra lejos de la pasarela y las condiciones de enlace son deficientes, se puede aumentar el factor de dispersión para obtener una mayor sensibilidad. Sin embargo, al mismo tiempo, la velocidad de datos se verá reducida. Para un canal de ancho de banda fijo de 125 kbit/s, la velocidad de transmisión de datos puede seleccionarse dentro de un rango considerable, desde 250 bit/s hasta 5 kbit/s.
(2) Modo de funcionamiento del terminal
El terminal de diseño LoRa cuenta con tres modos diferentes: Clase A, B y C; sin embargo, el terminal solo puede funcionar en un modo a la vez, y cada modo se puede configurar mediante software. Los distintos modos se adaptan a diferentes modelos de negocio y modos de ahorro de energía. Actualmente, el modo de funcionamiento de Clase A se utiliza ampliamente para adaptarse a las necesidades de ahorro de energía de las aplicaciones del IoT.
Clase A (equipos terminales bidireccionales): Los equipos terminales de clase A permiten la comunicación bidireccional, pero no pueden realizar transmisiones activas en el enlace descendente. El proceso de envío de cada terminal irá seguido de dos breves ventanas de recepción en el enlace descendente, tal y como se muestra en la figura 2. El intervalo de tiempo de transmisión en el enlace descendente se determina en función de las necesidades del terminal y de una pequeña cantidad aleatoria, por lo que los terminales de clase A son los que más energía ahorran.
Clase B (terminal bidireccional que admite la programación de intervalos de tiempo en el enlace descendente): Los terminales de Clase B son compatibles con los de Clase A y admiten la recepción de señales de baliza en el enlace descendente para mantener la sincronización con la red, con el fin de supervisar la información en el momento programado para el enlace descendente; por lo tanto, su consumo energético será mayor que el de los terminales de Clase A.
Clase C (terminal bidireccional con intervalo de tiempo de recepción máximo): el terminal de clase C solo detiene la ventana de recepción de enlace descendente en el momento de transmitir datos, y es adecuado para aplicaciones con grandes volúmenes de datos de enlace descendente. En comparación con los terminales de tipo A y tipo B, los de tipo C son los que más energía consumen, pero para los servicios de servidor a terminal, el modo de tipo C es el que presenta un menor retraso.
(3) Seguridad de la red LoRa
El dispositivo terminal debe completar la obtención de la clave de seguridad de la red durante el proceso de conexión antes de interactuar con los datos del servidor de la red. El terminal debe disponer de la siguiente información de seguridad al acceder a la red y utilizarla: la identificación del equipo terminal (DevEUI), la identificación de la aplicación (AppEUI) y la clave de aplicación AES-128 (AppKey). Entre ellos, el DevEUI es el identificador global del dispositivo terminal que identifica de forma única al dispositivo terminal. El AppEUI es un identificador global de la aplicación almacenado en el dispositivo terminal, que identifica de forma única al proveedor de la aplicación (es decir, al usuario) del dispositivo terminal. AppKey es una clave de aplicación AES-128 definida en el dispositivo terminal. La asigna al dispositivo terminal el propietario de la aplicación. Se deriva de la clave raíz independiente de cada aplicación. La clave raíz es conocida por el proveedor de la aplicación y se encuentra en la propia aplicación, bajo el control del proveedor del programa. Cada vez que un dispositivo terminal se conecta a la red mediante el proceso de conexión, se utiliza AppKey para deducir las claves de sesión NwkSKey y AppSKey definidas para dicho dispositivo. La clave de sesión se utiliza para garantizar la seguridad de las comunicaciones de red, y la clave de aplicación se utiliza para garantizar la seguridad de la aplicación. Seguridad de extremo a extremo.
(4) Pruebas y evaluación del rendimiento
Como tecnología LPWA, LoRa se centra en sus indicadores clave de rendimiento, como la cobertura, el consumo energético y el coste.
①Portada
Dado que es compatible con la tecnología de espectro ensanchado, se pueden alcanzar distintos requisitos de sensibilidad mediante diferentes factores de ensanchamiento. Cuando la potencia de transmisión alcanza los 23 dBm, LoRa admite una MCL (pérdida máxima de acoplamiento) de aproximadamente 160 dB, lo que casi cumple los requisitos de MCL de la tecnología IoT de banda estrecha con nuevos diseños de interfaz aérea, como NB-IoT, y permite alcanzar los objetivos de cobertura en interiores profundos. Las sensibilidades correspondientes a los distintos factores de dispersión del sistema LoRa se muestran en la Tabla 1. Las interferencias en la banda de frecuencias en la que se encuentra el sistema LoRa afectarán directamente a su rendimiento de cobertura. A juzgar por los resultados actuales de las pruebas realizadas en las bandas de frecuencia de 470 MHz y 915 MHz del campo LoRa en Shanghái, el ruido de fondo de 470 MHz es de aproximadamente -110 dBm, y el SINR mínimo en el caso de SF12 es de 15 dB, por lo que el nivel mínimo real de recepción en 470 MHz es de aproximadamente -125 dBm, de modo que la cobertura real se ve afectada por las interferencias externas. Si se produce una pérdida de casi 10 dB, la ventaja de cobertura respecto al GPRS no es notable. La banda de frecuencia de 915 MHz presenta un alto nivel de interferencias, con un RSSI mínimo que alcanza los -100 dBm, lo que no permite apreciar la ventaja en cuanto a cobertura, por lo que no se recomienda elegir esta banda de frecuencia.
②Capacidad
En la actualidad, el sistema LoRa utiliza principalmente el modo Clase A, que activa la transmisión de datos en el enlace ascendente y no permite la programación de recursos. Se basa principalmente en el salto de frecuencia entre distintos canales para evitar interferencias. Por lo tanto, la selección aleatoria de canales y los mecanismos para evitar colisiones influyen en la capacidad del sistema. Según el modelo de negocio de envío de informes de 50 000 por hora, se estima que el número de informes enviados con éxito por hora es tal que cada pasarela LoRa admite unos 50 000 mensajes de informe, lo que supera los requisitos de capacidad actuales del sector para la tecnología LPWA. Simulamos el escenario de 4 pasarelas y 4 000 usuarios con una distancia de 1 km. Los usuarios envían 120 B de paquetes de datos cada media hora. Los resultados de la simulación se muestran en la figura 3. Debido a las diferentes condiciones del canal de la terminal, esta seleccionará de forma adaptativa el SF adecuado, es decir, diferentes velocidades de comunicación. La ocupación total del canal de los diferentes SF se calcula estadísticamente. La tasa de ocupación total del canal no supera los 101 TP5T.
③Consumo energético
La corriente en modo de recepción de LoRa es de 12 mA. Cuando la potencia de transmisión es de 14 dBm, la corriente es de aproximadamente 32 mA; y al entrar en el estado de reposo, el consumo de corriente es inferior a 1 μA. El mecanismo ADR de adaptación de velocidad permite transmitir a una velocidad mayor cuando las condiciones inalámbricas lo permiten, lo que reduce la duración del estado de transmisión y el consumo total de energía de la batería. La tabla 2 muestra la vida útil estimada de la batería (en años) de las aplicaciones LoRa con baterías integradas de 5 Wh en diferentes condiciones de cobertura y distintos modelos de negocio. A juzgar por los resultados de la estimación, el consumo de energía del sistema LoRa presenta ventajas considerables frente a los actuales sistemas de comunicación celular y a los sistemas de IoT de banda estrecha.
④Retraso
Actualmente, se utilizan ampliamente los terminales de clase A, es decir, que solo admiten la transmisión en enlace descendente activada por el enlace ascendente, pero no admiten servicios activos en enlace descendente. Por lo tanto, en el caso de los servicios con transmisión activa en el enlace descendente, LoRa no puede satisfacer los requisitos operativos correspondientes. Al mismo tiempo, en lo que respecta a la transmisión de datos en el enlace ascendente, si se requiere la confirmación de los datos, el ACK del enlace descendente debe enviarse en el intervalo de tiempo fijo del enlace descendente activado por el enlace ascendente. En la actualidad, el intervalo entre los intervalos de tiempo de enlace ascendente y descendente suele fijarse en 1 s, lo que significa que el retraso es, como mínimo, superior a 1 s. Dado que el propio sistema no está diseñado con un mecanismo completo de calidad de servicio (QoS) que garantice una recepción fiable, sus características de retraso no presentan ninguna ventaja en comparación con los sistemas celulares basados en programación.
⑤Coste
El coste actual de un chip LoRa es de aproximadamente US$1, y el del módulo, de unos US$5, lo que básicamente cumple con los requisitos del sector en materia de tecnología LPWA.
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