Trabajo técnico de la tecnología LoRaWAN

Trabajo técnico de la tecnología LoRaWAN

Cómo LoRaWAN La tecnología funciona

Con su topología en estrella y tecnología de transmisión de señales inteligentemente implementada, La tecnología LoRaWAN está diseñada específicamente para la eficiencia energética y la conexión en red segura de dispositivos en el Internet de las cosas.. Podemos explicar cómo funciona la tecnología..

Internet de las cosas impone muchos requisitos a las tecnologías de red utilizadas. Lo que se necesita es una arquitectura diseñada para miles de nodos que pueden estar lejos de áreas pobladas y en lugares de difícil acceso. – desde sensores que monitorean el flujo de agua y la contaminación en ríos y canales hasta medidores de consumo en el sótano.

La arquitectura también debe soportar de forma segura los nodos de sensores alimentados por batería al tiempo que simplifica la instalación y el mantenimiento.. Eso habla de la operación de radio. La tecnología de red debe tener en cuenta los estrictos requisitos de consumo de energía de los nodos finales., muchos de los cuales deben funcionar con una sola batería durante décadas. La alta seguridad es esencial para evitar escuchas ilegales y protegerse de los piratas informáticos..

El diseño de una tecnología de red de este tipo comienza a nivel físico.. Similar a varios otros protocolos de radio que se utilizan para aplicaciones de IoT, La tecnología LoRaWAN utiliza la modulación de espectro ensanchado. Una diferencia esencial entre LoRaWAN y otros protocolos es el uso de una técnica adaptativa basada en señales chirp – y no en DSSS convencional (señalización de espectro ensanchado de secuencia directa). Este enfoque ofrece un compromiso entre la sensibilidad de recepción y la velocidad máxima de datos., que soporta esta adaptación nodo a nodo gracias a la configuración de modulación.

Con DSSS, la fase de la portadora se cambia dinámicamente de acuerdo con una secuencia de código precalculada. Se aplican varios códigos sucesivos a cada bit que se va a transmitir.. Esta secuencia de cambios de fase para cada bit produce una señal que cambia mucho más rápido que la portadora., difundiendo así los datos en una amplia banda de frecuencia. Cuanto mayor sea el número de pulsos de código (papas fritas) por bit, cuanto mayor sea el factor de dispersión. Esta propagación hace que la señal sea menos susceptible a las interferencias., pero reduce la tasa de datos efectiva y aumenta el consumo de energía por bit transmitido. Porque el transmisor es más resistente a las interferencias, puede reducir el nivel de potencia general. DSSS, por lo tanto, ofrece un menor consumo de energía con la misma tasa de error de bits. DSSS provoca costos de electricidad e inversión, que limita la aplicación en los nodos de IoT.

El reloj de referencia preciso es importante para la tecnología LoRaWAN

Para asegurarse de que el receptor pueda procesar los chips de código entrantes y convertir la transmisión nuevamente en datos, DSSS se basa en un reloj de referencia exacto en la placa de circuito. Estas fuentes de reloj son bastante caras y la precisión cada vez mayor del reloj también aumenta el consumo de energía.. La tecnología CSS utilizada por la tecnología LoRaWAN (chirrido de espectro extendido) se puede implementar de manera más rentable porque no depende de una fuente de reloj precisa. Una señal de chirrido es una señal cuya frecuencia varía con el tiempo..
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En el caso de la red de tecnología LoRaWAN, la frecuencia de la señal aumenta a lo largo de la longitud de los chips de código del grupo de bits de datos respectivo. Para mejorar la confiabilidad, LoRaWAN agrega información de corrección de errores al flujo de datos. Además de la inmunidad de los sistemas de amplio espectro, CSS ofrece un alto nivel de inmunidad a la distorsión y el desvanecimiento por trayectos múltiples, que es problemático en entornos urbanos – al igual que los cambios Doppler: superposiciones cambian la frecuencia. La técnica CSS es más robusta porque los cambios Doppler provocan solo un pequeño cambio en el eje de tiempo de la señal de banda base..

Más rango o mayor velocidad de datos

Como DSSS, LoRa puede variar el número de chips de código por bit. El estándar define seis factores de dispersión diferentes (SF). Con un SF más alto, se puede aumentar el alcance de una red – pero con más rendimiento por bit y una tasa de datos general más baja. Con SF7, la velocidad máxima de datos es aproximadamente 5.4 kbit / sy la señal puede considerarse lo suficientemente fuerte a una distancia de 2 km – aunque esta distancia depende del terreno. Con SF10, el rango estimado aumenta a 8 km con una velocidad de datos ligeramente inferior a 1 kbit / s. Este es el SF más alto en un enlace ascendente: una transmisión del nodo a la estación base. Un enlace descendente puede usar dos SF aún más grandes. Los SF son ortogonales. Esto permite que los diferentes nodos utilicen diferentes configuraciones de canal sin influirse entre sí.. Además del nivel físico que prepara los datos para la modulación y transmisión CSS, LoRaWAN define dos capas lógicas que corresponden a niveles 2 y 3 del modelo de red OSI en capas (Sistemas abiertos de interconexión).

• Nivel 2 es el nivel de conexión de datos LoRa. Ofrece una protección fundamental de la integridad de los mensajes basada en comprobaciones de redundancia cíclicas. LoRaWAN establece una comunicación básica punto a punto.
• Nivel 3 agrega la función de protocolo de red. El protocolo LoRaWAN ofrece a los nodos la oportunidad de señalizarse entre sí o enviar datos a la nube a través de Internet. – usando un concentrador o una puerta de enlace.

La tecnología LoRaWAN utiliza una topología en estrella: Todos los nodos hoja se comunican a través de la puerta de enlace más adecuada. Las pasarelas se hacen cargo del enrutamiento y, si más de una puerta de enlace está dentro del alcance de un nodo hoja y la red local está sobrecargada, puede redirigir la comunicación a una alternativa. Algunos protocolos de IoT utilizan redes de malla para aumentar la distancia máxima de un nodo hoja a una puerta de enlace. La consecuencia es un mayor requerimiento de energía de los nodos para el reenvío de mensajes hacia y desde las pasarelas., así como para un acortamiento impredecible de la vida útil de la batería.

La arquitectura LoRaWAN garantiza que la batería de cada nodo de IoT se pueda dimensionar de manera adecuada y predecible para la aplicación.. La puerta de enlace actúa como puente entre protocolos más simples., que son más adecuados para nodos hoja con recursos restringidos, y el Protocolo de Internet (IP), que se utiliza para proporcionar servicios de IoT. La tecnología LoRaWAN también tiene en cuenta las diferentes funciones y perfiles de energía de los dispositivos finales al admitir tres clases de acceso diferentes. Todos los dispositivos deben ser compatibles con la clase A. Este es el modo más fácil que ayuda a maximizar la duración de la batería.. Esta clase utiliza el protocolo Aloha ampliamente utilizado..

Evitación automática de colisiones integrada

Un dispositivo puede enviar un mensaje de enlace ascendente a la puerta de enlace en cualquier momento: El protocolo tiene una función para evitar colisiones cuando dos o más dispositivos intentan enviar al mismo tiempo. Una vez que se completa una transmisión, el nodo final espera un mensaje de enlace descendente que debe llegar dentro de uno de los dos intervalos de tiempo disponibles. Una vez recibida la respuesta, el nodo final puede irse a dormir, que maximiza la duración de la batería.

UNA Gateway LoRaWAN no se puede activar un nodo final de clase A si está en estado inactivo. Tiene que despertarse solo. Esto se debe a temporizadores locales o una activación controlada por eventos., que se activa por un evento en una entrada de sensor local. Los actuadores, como las válvulas en un sistema de control de fluidos, deben poder recibir comandos enviados por una aplicación de red. – incluso si no tienen datos locales para su procesamiento y comunicación. Estos dispositivos usan modos de Clase B o C.

Con clase B, a cada dispositivo se le asigna una ventana de tiempo dentro de la cual debe activar a su destinatario para buscar mensajes de enlace descendente. El nodo puede permanecer en modo de suspensión entre estas ventanas de tiempo. Los mensajes de enlace ascendente se pueden enviar si el dispositivo no está esperando un mensaje de enlace descendente. La clase B se utiliza cuando se puede tolerar una latencia de hasta varios minutos.. La clase C admite tiempos de latencia significativamente más bajos para los mensajes de enlace descendente, ya que la interfaz del receptor permanece casi constantemente activa. Un dispositivo de clase C no está en modo de recepción solo si envía sus propios mensajes de enlace ascendente. Esta clase es utilizada por nodos finales alimentados por red.

Cifrado continuo de los datos de usuario transmitidos

A diferencia de otros protocolos propuestos para el IoT, LoRaWAN ofrece cifrado de extremo a extremo de los datos de la aplicación – hasta los servidores en la nube que se utilizan para administrar y proporcionar los servicios. Además del cifrado de extremo a extremo, La tecnología LoRaWAN garantiza que cada dispositivo conectado a la red tenga las credenciales requeridas y permite que los nodos de IoT verifiquen si no se están conectando a una puerta de enlace con una identidad falsa.. Para asegurar el nivel requerido de autenticación, cada dispositivo LoRaWAN se programa durante la producción con una clave única, que se conoce en el protocolo como AppKey.

El dispositivo también tiene un identificador único en todo el mundo.. Para facilitar a los dispositivos la identificación de sus conexiones de puerta de enlace, cada red tiene su propio identificador en una lista administrada por LoRa Alliance. Las computadoras identificadas como servidores de unión se utilizan para autenticar la AppKey de cualquier dispositivo que desee unirse a la red.. Una vez que el servidor de unión ha autenticado la AppKey, crea un par de claves de sesión que se utilizan para transacciones posteriores. La NwkSKey se utiliza para cifrar mensajes que se utilizan para controlar cambios a nivel de red., p.ej. para configurar un dispositivo en una puerta de enlace específica. La segunda llave (AppSKey) cifra todos los datos a nivel de la aplicación. Esta separación garantiza que los mensajes del usuario no puedan ser interceptados y descifrados por un tercer operador de red..

Otro nivel de seguridad se logra mediante el uso de contadores seguros que están integrados en el protocolo de mensajes.. Esta función evita los ataques de reproducción de paquetes en los que un pirata informático intercepta los paquetes y los manipula antes de devolverlos al flujo de datos.. Todos los mecanismos de seguridad se implementan mediante cifrado AES, que ha demostrado garantizar un alto nivel de seguridad. Por su oferta a nivel nacional, eficiencia energética y seguridad, La tecnología LoRaWAN es adecuada para muchas aplicaciones como protocolo para configurar redes de IoT..