LPWAN: introducción al protocolo de comunicaciones de IoT
LPWAN (Low Power Wide Area Network) redes de área amplia y de baja potencia, conocido también como LPWA o LPN, es un protocolo de transporte inalámbrico de datos que hoy en día se entiende como uno de los protocolos básicos para la implementación de IoT.
Para tener una idea de la relevancia de LPWAN podemos considerar la predicción que realiza statisca.com de un aumento constante de la cantidad de dispositivos LPWAN conectados alrededor del mundo, esperando que esta cantidad llegue a rondar los 3.500 millones de dispositivos para 2021.
Claro, aún con estos datos es justo plantearse la pregunta: ¿Es LPWAN un estándar para IoT?
Por supuesto debemos aceptar que los estándares definitivos para IoT todavía están por definirse, de hecho los protocolos se encuentran en pleno desarrollo y existen varios proyectos que pretenden definir estándares.
Sin embargo, en la mayoría de literatura aparece LPWAN como una opción válida de protocolo de transporte para ciertas necesidades de IoT.
En el artículo “Interoperabilidad del IoT”, publicado en este mismo blog, usted podrá encontrar referencia de los proyectos que persiguen definir estándares para IoT.
Dicho esto, les invitamos a revisar técnicamente LPWAN, entender qué necesidades puede cubrir y evaluar los retos que implica para un esquema de monitorización. Comencemos con sus características.
Características de LPWAN
Son tres las características técnicas de LPWAN que lo hacen coincidir con los requerimientos de IoT. Estas son:
- El alcance geográfico: LPWAN está diseñado para el transporte inalámbrico de datos entre dispositivos separados por distancias en el rango de kilómetros y no de metros.
- La cantidad de data transmitida: La idea de LPWAN es regular el transporte no constante de pequeñas cantidades de datos.
- El bajo consumo eléctrico: El protocolo se fundamenta en el uso de dispositivos cuyas baterías permiten una duración de años en lugar de semanas y meses.
Estas características además diferencian a LPWAN de otras tecnologías inalámbricas como Wi-Fi, Bluetooth, 3GPP y Zigbee.
En la siguiente figura se muestra una gráfica que muestra el espacio regido por cada una de las tecnologías inalámbricas en términos de ancho de banda y alcance físico.
Fuente: Peter R. Egli, trabajo publicado en Internet
Tal como se aprecia en la gráfica, no es viable que una misma tecnología inalámbrica pueda cubrir todos los requerimientos de IoT.
La tecnología LPWAN cubre casi que en exclusiva las necesidades de aquellas aplicaciones que requieren transferir de forma inalámbrica pequeñas cantidades de datos, pocas veces al día y a través de largas distancias.
Por lo regular, se asocia las redes LPWAN con redes de sensores y dispositivos distanciados geográficamente, que solo requieren o pueden transmitir poca información sobre su estado.
ISM
Por otro lado, un punto técnico interesante de mencionar con sobre LPWAN es la banda de radiofrecuencia en la cual suele trabajar.
Los diferentes productos que implementan LPWAN trabajan en Europa en la banda ISM (Industrial, Scientific and Medical), la cual representa un espectro que internacionalmente se reserva al uso no comercial asociado con la industria, la ciencia y los servicios médicos.
Esta banda es importante porque este grupo de frecuencias pueden ser utilizadas sin el pago por concepto de licencia, siempre y cuando se respeten las restricciones en los niveles de potencia transmitidas.
Esto representa otra diferencia de LPWAN y las tecnologías celulares, por ejemplo, en las cuales es necesario pagar por el derecho a transmitir en una frecuencia específica.
Tenga en cuenta que para LPWAN existe una diferencia en la frecuencia utilizada dependiendo de la región en la cual usted se encuentre; en Europa se utiliza la franja entre 867 y 869 MHz, en Estados Unidos se utiliza la franja entre 902 y 928 MHz y en Asia depende del país. En el caso de Japón se utiliza la franja entre 920 y 925 MHz.
El uso de diferentes frecuencias implica que los dispositivos de hardware pueden utilizarse en diferentes países pero requieren un ajuste en software para poder trabajar en una frecuencia particular.
Desventajas de LPWAN
Las desventajas que se pueden señalar son las siguientes:
-La baja velocidad de transmisión no permite manejar grandes volúmenes de data por lo que elementos como fotos y videos están por completo descartados.Como ya mencionamos LPWAN permite la creación de redes de sensores y dispositivos; sin embargo hay que decir que incluso en estas redes los volúmenes de datos de telemetría que pueden transportar no pueden ser muy grandes, lo que descarta elementos muy complejos o de los cuales se requiere mucha información.
-Existen reportes de problemas de atenuación de las señales cuando la red LPWAN incluye dispositivos ubicados en edificios o separados por elementos físicos, funcionando de forma más eficiente en espacios abiertos con líneas de vista aseguradas.-La conectividad entre los dispositivos y su aplicación o servidor no es constante y puede ser unidireccional; del dispositivo a un elemento de captura, lo cual dificulta actividades como el control de movimiento de objetos en tiempo real.Aunque hay que decir que la mayoría de las implementaciones de LPWAN permiten comunicaciones bidireccionales.-Otro elemento con el que las implementaciones de LPWAN tienen que batallar es confiabilidad de las transmisiones.Las implementaciones de LPWAN introducen diferentes procesos de encriptación y autenticación para resolver esta deficiencia del protocolo.
Implementaciones de LPWAN
Existen varias implementaciones del protocolo LPWAN, tales como Sigfox, NB-IoT, Weightless, RPMA y LoRaWAN, por mencionar algunas. Hay muchas diferencias entre cada una de ellas en cuanto a los esquemas de modulación, el alcance geográfico, la cantidad de data transmitida y a sus capacidades de encriptación y autenticación.
Aquí proponemos hacer una revisión general de la implementación LoRaWAN con la idea de aclarar su arquitectura, lo cual nos ayudará a entender el resto de las implementaciones.
LoRaWAN
El lector puede encontrar en mucha bibliografía los términos LoRa y LoRaWAN utilizados de forma indistinta; sin embargo, en realidad no son lo mismo.
-LoRa es un esquema de modulación de señales en radiofrecuencia creado por la empresa Semtech Corporation. Esta empresa diseña y produce entre otros elementos los chips LoRa que serán utilizados como base física de las redes LoRaWAN.
-LoRaWAN es una implementación del protocolo LPWAN que utiliza la tecnología LoRa. LoraWAN es desarrollado por la denominada LoRa Alliance integrada entre otros por Cisco, IBM y Orange. Podemos ver a LoRaWAN como la definición del protocolo y la arquitectura de red sobre el cual interactuarán directamente las aplicaciones.
En la siguiente figura se muestra la arquitectura para LoRaWAN:
Fuente: Presentación de Martin Haas
LoRaWAN define dos estructuras de red:
-Red en Malla: LoRaWAN permite la comunicación directa entre los dispositivos finales sin la necesidad de un elemento intermedio, lo que facilita una comunicación básica entre punto-multipunto.
-Red en Estrella: bajo esta estructura los nodos finales transmiten sus mensajes a unos elementos llamados Gateway, donde un mismo mensaje enviado puede ser recibido por más de un Gateway. Esta comunicación se hará de forma inalámbrica con la red definida con elementos LoRa.
Luego los Gateway envían la data a un servidor central, tal como puede apreciarse en esta imagen:
Fuente: Jensd’s I/O buffer
La comunicación de los Gateway con el servidor central puede ser establecida por una red Ethernet o cualquier esquema de redes inalámbricas de la que se disponga.
Finalmente, el servidor central eliminará la data redundante, hará chequeos de seguridad y enviará la información correspondiente a las aplicaciones de los usuarios.
Ficha Técnica LoRaWAN:
- Transmisión de Datos: de 250bps a 50Kbps
- Alcance geográfico: de 10 a 15Km
- Duración de baterías: de 10 a 20 años
- Encriptación: AES 128
LPWAN y la Monitorización
La penetración de IoT sin duda implica importantes retos para el mundo de la monitorización.
Inicialmente es sencillo comprender que la cantidad y heterogeneidad de los dispositivos que pueden incluirse en una solución IoT implica un reto para el grupo que debe establecer una plataforma de monitorización que abarque dichos dispositivos.
Teóricamente debemos considerar un número infinito de dispositivos así como debemos suponer que la mayoría de ellos son “no IT” y por demás diversos entre sí. Lo que implica que mucho del esquema de monitorización de dispositivos IT no será aplicable a un proyecto de monitorización IoT.
Por otra parte está el hecho de que existen diferentes esquemas y tecnologías que pueden ser utilizadas para desarrollar el proyecto IoT. Un proyecto IoT vía un servicio en la nube es diferente si emprendemos el proyecto de crear nuestra propia red IoT; si nuestra solución apunta a IoT basado en 5G el escenario es completamente distinto a si asumimos un proyecto IoT basado en LPWAN. ¿ Y si utilizamos un esquema para integrar unos dispositivos y otro esquema para integrar otros?
Así pues, estamos en el punto en que la falta de estandarización en protocolos y arquitectura IoT implica un reto para la monitorización.
Ahora bien, para en el caso de LPWAN como base para un proyecto IoT juegan en contra el hecho mismo de que se trata de redes cuya plataforma de comunicaciones está diseñada para transmitir bajo volúmenes de data y que dependiendo de la implementación la comunicación de los dispositivos puede ser unidireccional.
En todo caso, emprender un proyecto de monitorización puede arrancar por conocer los dispositivos y sensores que debemos integrar y levantar con los usuarios o los responsables operativos de los mismos la información sobre qué se desea saber sobre estos dispositivos:
-¿Cuál es el estado actual del sensor o dispositivo?
-¿Cuáles son sus estados posibles?
-¿Qué acciones deben ejecutarse en el momento en que un estado en particular sea alcanzado?
-¿Dónde se encuentra el dispositivo? ¿Es móvil o estático?
-¿Cuáles son sus ubicaciones válidas? (Si es móvil).
-¿Su versión de firmware?
-¿Su nivel de batería?
Lo siguiente puede ser verificar:
-¿Qué data se requiere y quién puede generar dicha información? ¿Cuál data debemos obtener del dispositivo o sensor y cuál podemos obtener de otros elementos como los Gateways y servidores?
-¿Cuánta data se requiere para cubrir las expectativas del usuario? Dada la poca capacidad de transmisión de data de las redes LPWAN la selección de la información realmente relevante se vuelve una tarea muy importante para el éxito de la monitorización.
Otro aspecto es lo correspondiente a las aplicaciones asociadas con nuestra plataforma IoT, las cuales quizás han sido desarrolladas especialmente para esta solución o forman parte de las aplicaciones ya existentes en la red.
Esta revisión puede ofrecernos una idea general de cómo podemos enfrentar la monitorización de la plataforma IoT y nos llevará directamente a decidir sobre la solución técnica requerida para finalmente llegar al objetivo de:
-Integrar información sobre los dispositivos en un dashboard.
-Extender los mapas de red.
-Incluir nueva información sobre las aplicaciones.-Ampliar nuestros procedimientos de monitorización, etc.
Sin duda contar con una plataforma de monitorización lo suficientemente flexible y con comprobada experiencia en monitorización IoT es la mejor base con la que podemos contar.
Pandora FMS cuenta con el nivel de flexibilidad y experiencia necesarias, por lo que invitamos al lector a solicitar más información sobre la monitorización IoT de Pandora FMS llenando este sencillo cuestionario.
Para finalizar les invitamos a comentar sobre sus expectativas en este interesante mundo de la monitorización de IoT.
