LoRaWAN y su aportación a las tecnologías IIoT

El Internet Industrial de las Cosas (IIoT) es una tecnología en constante crecimiento que ofrece una mejora de la eficiencia, la capacidad de procesamiento y la seguridad, a los distintos sectores de la industria. Sin embargo, presenta una serie de problemas, como los elevados costes de los dispositivos, el alcance limitado de las comunicaciones o la cantidad de energía que consumen los sistemas.

Para solventar estas limitaciones, se ha creado LoRaWAN, un protocolo abierto y pensado para las comunicaciones entre dispositivos IIoT que mejora la eficiencia, la capacidad de transmisión, el alcance o la seguridad de éstas.

El protocolo LoRaWAN

LoRaWAN (Low Range Wide Area Network) es un protocolo abierto e inalámbrico de comunicaciones a nivel de red, diseñado para la transmisión de información entre dispositivos IoT. Pero antes de definir este protocolo, es conveniente explicar los conceptos LoRa y LPWAN, los cuáles complementan y ayudan a entender el funcionamiento de LoRaWAN.

• LoRa (Low Range) es una tecnología inalámbrica de modulación ubicada en la capa física del modelo OSI que permite la transmisión de señales de radio a larga distancia. Esta tecnología utiliza una técnica de comunicación llamada modulación de espectro expandido (Spread Spectrum Technique), la cual emplea una banda ancha de gran tamaño para la transmisión de datos y permite comunicaciones simultáneas mediante saltos de frecuencia. Además, utiliza una variante de la técnica anterior llamada CSS (Chirp Spread Spectrum) que proporciona una comunicación bidireccional mediante una señal de banda estrecha. El uso de estas dos técnicas permite la mejora de la robustez del sistema, una mayor tolerancia a interferencias y un menor consumo de recursos.
• LPWAN (Low Power Wide Area Network) es un tipo de red de comunicación inalámbrica utilizada en el ámbito IoT. Esta tecnología ha sido diseñada para aquellos dispositivos que necesitan enviar pequeñas cantidades de datos a larga distancia. Aunque presenta una velocidad de transmisión baja, lo compensa reduciendo el uso de recursos y optimizando el consumo de las baterías de los dispositivos.

LoRaWAN, al igual que LoRa, opera en el conjunto de frecuencias ISM (Industrial, Scientific and Medical), lo que significa que no se requiere una licencia para usar estas frecuencias y, por tanto, no genera ningún coste. Las frecuencias en las que opera dependen de la zona geográfica, siendo las frecuencias más utilizadas: 915 MHz en América del Norte, 433 MHz en Asia, 868 MHz en Europa y 923 MHz en Australia y Nueva Zelanda.

El protocolo LoRaWAN es el resultado de la aplicación de la tecnología LoRa sobre las redes LPWAN. Se encuentra implementado en las capas de red y de enlace de datos, por encima de la capa física sobre la que funciona LoRa, y está orientado a redes de dispositivos IoT en los que se necesitan transmitir pequeños paquetes de información a larga distancia.

 
- Modelo OSI de capas sobre las que se implementan LoRaWAN y LoRa. Fuente -

Arquitectura del protocolo

La arquitectura LoRaWAN está compuesta por una serie de elementos o nodos que forman una topología en forma de estrella, en la que se encuentran conectados a distintas pasarelas o gateways. Estos dispositivos traducen los datos recibidos y los envían al servidor de red o network server. En este tipo de redes, los datos transmitidos por los elementos suelen recibirse en varias pasarelas, por lo que los nodos no se encuentran asociados con una pasarela en concreto. Además, si en una red sólo existe un gateway, éste funcionará también como servidor de red.

 
- Arquitectura de una red que implementa el protocolo LoRaWAN. Fuente -

Los elementos que forman la arquitectura LoRaWAN son los siguientes:

• Nodo o end point: son los dispositivos que envían o reciben información utilizando la red LoRaWAN. Estos elementos suelen ser sensores, actuadores o trackers (geolocalizadores). Estos nodos se comunican con los gateways mediante la modulación LoRa RF para permitir la comunicación de largo alcance.
• Gateway: son dispositivos que actúan como pasarelas de comunicación entre los dispositivos finales y el servidor, es decir, reciben la información transmitida por los nodos y la reenvían a los servidores de red. Son los elementos más importantes de la red, ya que sin ellos la comunicación no sería posible. La comunicación con el servidor de red se realiza mediante los protocolos seguros SSL/TLS.
• Servidor de red o network server: son equipos encargados del procesamiento y la traducción de la información que reciben de los nodos. Además, se encargan de la configuración de la red y de los nodos que se encuentran conectados a la misma. Estos servidores pueden ser locales o estar alojados en la nube.
• Servidor de aplicación o application server: son los servidores encargados del tratamiento de los datos que se transmiten por la red. Son independientes de la red LoraWAN, aunque se comunican con los servidores de red.

 
- Elementos de la arquitectura LoRaWAN. Fuente -

Los nodos finales de las redes LoRaWAN se pueden clasificar en 3 clases, dependiendo del consumo de energía o de la forma en la que manejan la comunicación:

• Clase A: es la clase por defecto que deben soportar todos los nodos para hacer posible la comunicación. Esta clase de nodos inicia siempre la comunicación de forma asíncrona. Se caracteriza por enviar ventanas de sólo escucha (ventanas RX) después de enviar los datos, lo que permite que la comunicación sea bidireccional y posibilita a los dispositivos cambiar a un modo de reposo y, por lo tanto, consumir menos energía.
• Clase B: los dispositivos de esta clase se sincronizan con la red mediante periodic beacons (son paquetes generados por el gateway que indican el tiempo en que las ventanas de transmisión estarán disponibles). Además, permite a los nodos crear ventanas de recepción sin haber realizado una transmisión previa, lo que aumenta la capacidad del dispositivo de recibir información a costa de un mayor consumo de batería.
• Clase C: en esta clase, los nodos se encuentran en modo de sólo escucha la mayor parte del tiempo y, sólo cuando es necesario, cambian a modo de transmisión. Al estar escuchando en la red continuamente, estos dispositivos son los que más energía consumen, por lo que es recomendable que tengan una fuente de alimentación conectada.

 
- Clases de nodos finales del protocolo LoRaWAN. Fuente -

Características de LoRaWAN

El protocolo LoRaWAN es un protocolo que ha sido diseñado para mejorar la industria IoT en muchos aspectos, ya que presenta una serie de características que minimizan algunos de los problemas con los que contaba la industria en este ámbito. Entre las ventajas que ofrece a la industria se encuentran las siguientes:

• Protocolo abierto: tanto la documentación como la especificación del protocolo se encuentran disponibles públicamente. Además, existe una asociación llamada LoRa Alliance que está compuesta por empresas como Microsoft, Amazon o Cisco, y que trabaja para promover soluciones y mejoras relacionadas con esta tecnología.
• Comunicación de larga distancia: este protocolo permite la comunicación de largo alcance entre dispositivos, por lo que una sola antena puede cubrir un área extensa de territorio (entre 10 y 20 kilómetros, dependiendo del territorio).
• Interoperabilidad: la tecnología LoRaWAN se puede utilizar en una amplia variedad de sectores debido a que los datos que se transmiten se pueden integrar con facilidad en otras plataformas de control.
• Baja transmisión de frecuencia: al operar en frecuencias de transmisión bajas, no requiere del uso de licencias.
• Servicios de movilidad y localización: aunque se produzcan cambios en la localización de los nodos, la conexión entre los elementos y los gateways está garantizada.
• Bajo consumo de energía: los dispositivos que utilizan esta tecnología tienen un consumo bajo de recursos, por lo que la duración de las baterías es mayor y pueden funcionar de forma ininterrumpida durante largos periodos de tiempo.
• Tecnología escalable: permite la comunicación entre un gran número de dispositivos a través de un solo gateway, manteniendo la calidad del servicio.
• Bajo coste: los dispositivos LoRaWAN presentan un coste relativamente más bajo que los dispositivos de otras tecnologías, lo que resulta idóneo en despliegues IoT donde se necesita un gran número de dispositivos.
• Inmunidad frente a ruido: la combinación de las técnicas de modulación de espectro expandido y CSS permiten que la comunicación sea robusta.
• Medidas de seguridad en las comunicaciones: esta tecnología implementa mecanismos de seguridad y cifrado de las comunicaciones, como algoritmos AES-128 para el cifrado de los datos a través de la red. Entre las medidas de seguridad destacan:
  • Autenticación mutua a través de activación Over-the-Air y del uso de una clave de aplicación entre el dispositivo y la red.
  • Tráfico de red protegido por dos claves de sesión.
  • Clave de aplicación y claves de sesión almacenadas en dispositivos protegidos físicamente.
  • Cifrado de las comunicaciones mediante algoritmos AES-128.

  • Uso de protocolos seguros como HTTPS y VPN

    

    - Funcionamiento de las comunicaciones seguras en el protocolo LoRaWAN. Fuente -

Aplicaciones en el ámbito IIoT

La tecnología LoRaWAN posee unas características que permiten su implementación en los diferentes sectores dentro del ámbito IIoT, tales como energía, la salud, la alimentación o el transporte, entre otros. Algunas de las aplicaciones que tiene actualmente en la tecnología IIoT son las siguientes:

• Seguimiento de activos: la mayoría de las industrias necesitan conocer el estado de sus procesos o su maquinaria de forma constante y durante largos periodos de tiempo. Debido a su bajo consumo de recursos, la utilización de esta tecnología resulta bastante útil en la comunicación entre los distintos dispositivos.
• Internet of Energy (IoE): este concepto se refiere a los sistemas inteligentes de energía eléctrica y a la interconexión que presentan. En este ámbito, la tecnología LoRaWAN proporciona una comunicación de larga distancia, por lo que es una buena opción a la hora de conectar los diferentes dispositivos de la infraestructura IoE.
• Monitorización ambiental: las comunicaciones entre los dispositivos de este protocolo son robustas y seguras, lo que permite su implementación en áreas donde la información que se transmite resulta crítica. Algunos ejemplos de su utilización en este ámbito son la detección de posibles fugas en la maquinaria industrial, la emisión de gases nocivos para la salud o la monitorización de la climatización en el entorno.
• Eficiencia energética: los dispositivos LoRaWAN también se utilizan en aspectos relacionados con la gestión y el seguimiento de los datos de consumo de energía, agua o gas debido al bajo coste que presentan y su bajo consumo de recursos.
• Alimentación: este sector presenta un alto grado de aplicación debido a sus comunicaciones de larga distancia, con las que se pueden coordinar los dispositivos de varias parcelas.

Conclusiones

Las redes LoRaWAN han experimentado un gran crecimiento en el ámbito IIoT durante los últimos años debido a que las características que ofrece permiten mejorar la mayor parte de los problemas que se han generado en la industria. Aunque por el momento no se hayan implementado en las comunicaciones críticas, sus características (entre las que destacan la seguridad, el bajo consumo y el largo alcance) la convierten en una tecnología prometedora, con un amplio potencial que puede llegar a desbancar a otras tecnologías ya consolidadas como TETRA, la cual se utiliza en las comunicaciones críticas.