Puertas de Enlace / Gateways LoRa: tendencia clave de IoT para 2022 y más allá

LoRa, que significa "largo alcance", es un tipo de red de área amplia de baja potencia (LPWA) que ha demostrado un excelente rendimiento en el soporte de aplicaciones de IoT, particularmente donde los dispositivos de IoT funcionan con baterías y transmiten sus datos a largas distancias. Las LoRaWAN se configuran y escalan mediante un componente de red clave conocido como LoRa Gateway,  que transfiere datos bidireccionalmente entre el dispositivo IoT y el servidor de red LoRaWAN (LNS) o plataformas propietarias que administran los datos, como The Things Network o AWS IoT Core para LoRaWAN.

Antenas de fibra de vidrio y cables de ventana para montar su antena LoRaWAN al aire libre para un mayor alcance.

La adquisición de LoRa Gateways es una tendencia clave de IoT a mediados de la década.

A medida que las redes LoRa se han generalizado, ha aumentado la demanda de puertas de enlace LoRa que se pueden utilizar para construir redes privadas o personalizadas. Las puertas de enlace están siendo establecidas por particulares para proporcionar redes LoRa de acceso público, a veces a cambio de una remuneración en criptomonedas. Este novedoso método descentralizado de proporcionar cobertura de red LoRa a gran escala en ciudades y regiones está encabezado por The Helium Network y está transformando las puertas de enlace LoRa en productos de consumo.

Este artículo explica qué son las puertas de enlace LoRa y cómo funcionan estas piezas críticas de hardware de red dentro de la arquitectura del sistema LoRA. También se explora brevemente el efecto de las antenas LoRa utilizadas con puertas de enlace LoRa en el rendimiento de la red.

¿Qué es una puerta de enlace LoRa?

Un LoRa Gateway es esencialmente un tipo de router que es capaz de concentrar las señales LoRa adquiridas de los dispositivos IoT para su reenvío a un servidor basado en Internet. Las puertas de enlace LoRa también pueden denominarse radios, concentradores o estaciones base.

Las puertas de enlace LoRa solo pueden recibir paquetes de datos LoRa y llevan una antena altamente sensible para este propósito. Recogen y concentran las señales LoRa de banda estrecha, largo alcance y baja potencia y las transfieren a Internet a través de tecnologías de red de gran ancho de banda como WiFi o Ethernet y mediante TCP/IP. Dentro de una red, una o varias puertas de enlace son capaces de simplemente recibir y reenviar las señales LoRa que adquirieron. En la capa de servidor de red y aplicación, se realiza la gestión de la alimentación entrante de la puerta de enlace, que puede incluir señales duplicadas. Debido a que la puerta de enlace realiza una función tan básica, es capaz de servir a un gran número de dispositivos IoT.

¿Qué hace una puerta de enlace LoRa?

La puerta de enlace LoRa es un componente fundamental dentro de una red LoRa IoT. Debido a que los nodos LoRa están distribuidos en un área amplia, confían en LoRa Gateway para establecer una conexión a Internet administrada para reenviar sus datos a plataformas de IoT basadas en la nube donde se pueden procesar.

Las puertas de enlace pueden participar en el tráfico de datos bidireccional entre los dispositivos IoT descendentes y los servidores de red ascendentes o en la computación en la nube basada en Internet. Los paquetes de datos de enlace ascendente a menudo se reenvían con la adición de metadatos clave como el indicador de intensidad de señal recibida (RSSI) y la relación señal-ruido (SNR). Los paquetes de enlace descendente incluyen solicitudes transmitidas desde el servidor de red LoRa para ser retransmitidas a los nodos finales. El Gateway no procesa su carga útil de ninguna manera, simplemente, como un enrutador, retransmite los paquetes de enlace ascendente y descendente que se le presentan. El servidor de red LoRa es responsable de procesar y analizar los paquetes de datos que recibe de los nodos finales a través de la puerta de enlace. Tiene funciones mucho más complejas asociadas con la administración de la red LoRa, incluido el filtrado de datos duplicados, la promulgación de procesos de administración de red y el envío de datos a la nube.

Componentes de LoRa Gateway

Las puertas de enlace LoRa son capaces de proporcionar conectividad bidireccional y multicanal a lo largo de varios kilómetros cuadrados, con un mayor alcance alcanzable si se utiliza una antena LoRa externa adecuada. Las puertas de enlace están disponibles tanto para uso en interiores como en exteriores, con una buena penetración de la señal LoRa en los edificios y a través de las paredes. Las puertas de enlace LoRa para exteriores generalmente se alojan dentro de gabinetes resistentes que pueden soportar condiciones adversas y vienen con soportes para montaje en poste o pared.

Las puertas de enlace LoRa se componen de 5 módulos clave que trabajan juntos para ofrecer un funcionamiento similar al de un enrutador:

1. Módulo de control: El módulo de control supervisa todas las funciones de control dentro de la puerta de enlace. En particular, el programa de reenvío de paquetes es responsable de ejecutar el protocolo de comunicación que existe entre la puerta de enlace LoRa y el servidor de red LoRa.

2. Módulo de localización: Este módulo se encarga de la localización del Gateway y de la sincronización horaria. Algunas puertas de enlace LoRa llevarán conectividad GPS que se utiliza para proporcionar datos de ubicación con una precisión de 5 metros. Otras puertas de enlace no llevan un módulo GPS y utilizan la triangulación con fines de localización. Los datos GPS del módulo de localización se transfieren de forma rutinaria al módulo de control.

3. Módulo de administración de energía: Este módulo se ocupa de la alimentación de la puerta de enlace. Una puerta de enlace puede usar alimentación de CA o CC o alimentación a través de Ethernet.

4. Módulo LoRa: El módulo LoRa lleva transceptores de alta sensibilidad capaces de comunicación multicanal bidireccional. Una señal adquirida se concentra y se transfiere a un procesador de banda base a través de una interfaz periférica en serie (SPI). El procesador de banda base tiene trayectos de demodulación paralelos para cada canal LoRa que pueden demodular los datos entrantes de cada canal simultáneamente y prepararlos para la transmisión posterior.

5. Módulo de comunicación: Las puertas de enlace LoRa necesitan conectarse a Internet para intercambiar datos con el servidor de red LoRa. Dependiendo del diseño específico, las puertas de enlace LoRa llevarán módulos de radio para WiFi, celular (3G o 4G / LTE) o conectividad Ethernet con el servidor de red LoRa.

Las puertas de enlace están diseñadas de manera simple con un firmware mínimo, lo que mantiene bajo el costo de la puerta de enlace. Las puertas de enlace más sofisticadas pueden tener un sistema operativo integrado que brinda la oportunidad de administrar y personalizar una función de puertas de enlace o la instalación de software específico

Las puertas de enlace LoRa privadas son clave para la aparición de redes IoT peer-to-peer que utilizan LoRa.

La simplicidad, el rendimiento y el bajo costo de implementación de LoRa han llevado a la adopción generalizada de redes LoRa tanto para la creación de una red privada como para el establecimiento de redes LoRa descentralizadas y expansivas a las que se puede acceder públicamente. La adopción por parte de los consumidores de las redes y las puertas de enlace LoRa ha sido un factor clave de la prominencia de LoRa como tecnología de IoT. En particular, dos redes peer-to-peer a gran escala están abriendo nuevos caminos en el suministro de redes de LoRa de acceso abierto en toda la ciudad, nacionales e incluso internacionales administradas por individuos. Estos son:

• La red de las cosas

The Things Network es una red LoRa internacional compuesta por puertas de enlace LoRa desplegadas de forma privada. El equipo holandés detrás de esta solución de red LoRaWAN inicialmente logró una cobertura en toda la ciudad de Ámsterdam y luego se expandió a nivel mundial. Ahora está disponible en más de 100 países y ofrece redes LoRa gratuitas y de acceso abierto. Los participantes en esta red obtienen su LoRa Gateway y sus antenas ellos mismos, utilizando los protocolos de red, el servidor de red y los servidores de aplicaciones suministrados por The Things Network.

• La red de helio

Helium Network es otra red LoRa descentralizada que se ha vuelto prominente desde su creación en 2013. Helium se basa en la tecnología LoRaWAN, pero se ha adaptado para incluir la remuneración de los participantes con criptomonedas a través de un proceso Blockchain. Las puertas de enlace Helium LoRa se denominan mineros. Estos se compran a Helium y se configuran para minar la criptomoneda Helium, llamada Helium Network Tokens (HNT), al tiempo que proporcionan tiempo de actividad de una puerta de enlace LoRa dentro de la red Helium. Helium Network opera más de 40.000 puertas de enlace o puntos de acceso y proporciona cobertura a varios proveedores comerciales de soluciones de IoT.

• Antenas para puertas de enlace LoRa

Todas las puertas de enlace LoRa llevarán una antena LoRa interna o externa. La sensibilidad y la cobertura de una puerta de enlace LoRa vendrán determinadas por su antena, que por supuesto debe coincidir con la frecuencia de los nodos finales. La antena es más importante que la puerta de enlace para determinar el alcance que se puede lograr. El posicionamiento es clave y una antena bien colocada con pocas obstrucciones debería ser capaz de recibir datos de múltiples nodos debido a la velocidad de propagación de la señal.

Las antenas LoRa que se utilizan normalmente son antenas LoRa omnidireccionales de alta ganancia que se pueden montar en altura. Un diagrama de radiación óptimo de una antena LoRa significa que una ganancia de 3-5 dBi debería ser adecuada para la mayoría de las configuraciones de pasarela. Una antena exterior se puede conectar a través de una longitud corta de  conectores coaxiales  impermeables y de radiofrecuencia SMA a una pasarela interior.

Las puertas de enlace LoRa no requieren una licencia para funcionar, ya que operan en las bandas de frecuencia industrial, científica y médica (ISM) sin licencia,  que incluyen 169 MHz, 433 MHz, 868 MHz (en Europa) y 915 MHz (en América del Norte). Sin embargo, puede haber límites de transmisión para una antena, así como leyes de zonificación o planificación que restrinjan dónde se pueden instalar las antenas LoRa Gateway.

Además de la antena LoRa, una puerta de enlace LoRa también puede transportar antenas celulares (3G, 4G/LTE o 5G) y/o  WiFi  para admitir la conectividad a Internet para el reenvío posterior de datos. Estas antenas suelen estar interiorizadas dentro del Gateway.

Antenas de alto rendimiento para puertas de enlace LoRa de Data Alliance

Data-Alliance. Inventario exhaustivo de Antenas LoRa hace que la selección de la antena con las características adecuadas para una puerta de enlace LoRa específica sea un proceso sencillo. Si es externo Conexión Wi-Fi o Antenas celulares son necesarios, estos también están disponibles. Todas las antenas cumplen con RoHS y se fabrican con los más altos estándares con materiales de calidad que brindan una buena longevidad. Para solicitudes específicas o pedidos grandes, el equipo puede proporcionar su experiencia y asistencia por teléfono o correo electrónico.