Red Inalámbrica de largo alcance (LoRa)

LoRa es un estándar de red inalámbrica francés que actualmente es propiedad de la empresa californiana Semtech y está desarrollado por ella y supervisado por LoRa Alliance. El protocolo describe una red de área amplia de baja potencia (LP-WAN) caracterizada por su capacidad para soportar transmisiones a largas distancias y bajo consumo de energía. Este protocolo de capa física especifica velocidades de datos de hasta 253 kbps utilizando la modulación Chirp Spread Spectrum (CSS). Con el tiempo, los chipsets patentados LoRa se han reducido en tamaño y han mejorado en la duración de la batería y la potencia de transmisión, lo que los convierte en una solución clave para la tecnología del Internet de las cosas.

Bandas de frecuencia LoRa

LoRa utiliza las siguientes bandas de frecuencia sin licencia:

• 915 MHz en América del Norte: No requiere licencia. Misma banda que GSM (3G).
• 868 MHz en Europa
• 433 MHz en Asia

La banda de frecuencia 915

915 MHz es la frecuencia central de lo que se conoce como la banda de 33 centímetros, que recibe su nombre de la longitud de onda en esta frecuencia. También se conoce como la banda de 900 MHz y abarca de 902 MHz a 928 MHz. La banda de frecuencia de 915 MHz está designada por la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) como una  banda de frecuencia industrial, científica y médica (ISM) sin licencia, lo  que significa que puede usarse globalmente para redes LoRa con una restricción mínima. Su capacidad para soportar transmisiones de largo alcance de manera eficiente es ventajosa. Otros usos notables de esta banda de frecuencia incluyen la radioafición, como se discute más adelante.

¿Por qué son importantes las antenas LoRa?

La antena de 915 MHz que se utiliza para las redes LoRa admite una conectividad de largo alcance comparable a frecuencias más bajas como la banda de 433 MHz (aunque las antenas de 915 MHz son de mayor ganancia). En los EE. UU., el uso de la banda de 433 MHz está restringido por las regulaciones de la FCC, por lo que esta banda de frecuencia más alta es la única banda de sub gigahercios disponible para admitir la conectividad LoRa.

Propagación de la señal a 915 MHz

La línea de visión es el medio predominante de transmisión de señales, lo que significa que las antenas y repetidores de 915 MHz a menudo se instalan a una altura más allá de obstrucciones como edificios o colinas. Con una potencia de transmisión equivalente, la señal de una antena LoRa de 915 MHz puede viajar aproximadamente el 75 por ciento de la distancia de una antena de 433 MHz. La penetración de edificios y ventanas es efectiva, especialmente cuando se compara con frecuencias más altas como 2.4 GHz.

Antenas de 915 MHz para redes de área inalámbricas LoRa

El uso de antenas de banda de 33 centímetros de LoRa se basa en la modulación de espectro ensanchado para lograr velocidades de datos competitivas con un uso eficiente del ancho de banda y el consumo de energía.

Las características clave de la conectividad LoRa:

1. Escalabilidad de ancho de banda y frecuencia
2. Baja potencia de salida de los transmisores
3. Resistencia a las interferencias dentro y fuera de banda
4. Resistencia de la transmisión de la señal frente al desvanecimiento y al desplazamiento Doppler
5. Compatibilidad con conectividad de largo alcance
6. Capacidad para soportar redes de alta capacidad
7. Capacidad para admitir la localización a través de nodos en red

La técnica de modulación utilizada se deriva del espectro ensanchado (CSS) de Chirp. Esto implica aumentar el ancho de banda de la señal transmitida para compensar la degradación de la relación señal/ruido y variar la velocidad de datos para mejorar la cobertura o la tasa de consumo de energía según sea necesario. Esto también hace que las transmisiones sean resistentes contra el desvanecimiento por trayectos múltiples sin aumentar la potencia de transmisión. Para lograr un rendimiento de área amplia y baja potencia, los datos son la compensación clave. Los datos se dividen y codifican en múltiples "chirridos" que se transmiten o "propagan" a diferentes velocidades (utilizando cambios en la frecuencia), de acuerdo con la disponibilidad de tiempo de transmisión. La tasa de chirrido se conoce como factor de propagación (SF). Esta tasa de bits escalable facilita el uso más eficiente de la red. La corrección de errores hacia adelante también se utiliza para evitar aún más las interferencias.

El protocolo de red LoRa WAN

Este protocolo de red está desarrollado para LoRa y especifica la arquitectura del sistema (punto a multipunto), el control (frecuencias utilizadas y velocidades de datos) y la comunicación dentro de las redes LoRa implementadas. Los dispositivos individuales en red transmitirán solo donde tengan datos para enviar. Los datos del transmisor se relacionan a través de múltiples nodos ascendentes con el servidor central de la red en una topología de estrella. Las redes LoRa pueden estar limitadas en el sentido de que no hay ninguna disposición para que los acuses de recibo de datos se transmitan a los nodos posteriores. La cobertura puede ser de hasta 15 kilómetros (10 millas). Hay tres clases de comunicación de nodos:

• La clase A implica la transmisión asíncrona de nodos (siempre que lo necesiten). Cuando no tienen datos, permanecen inactivos.
• La clase B implica la comunicación central con los nodos a través de mensajes de baliza transmitidos a intervalos regulares. Los nodos receptores funcionan con baterías y, por lo tanto, son capaces de escuchar la señal transmitida a intervalos programados.
• Las clases C son nodos "activos" alimentados de forma continua que pueden recibir señales en cualquier momento. Este no es un esfuerzo de baja energía y, por lo general, necesita alimentación de CA.

Antenas IoT de 915 MHz

LoRa es una de las tecnologías clave que se espera que sustente la inminente expansión del Internet de las cosas (IoT). Los dispositivos en red IoT a menudo utilizan redes de alto rendimiento como WiFi o la red celular, pero LoRa ofrece la oportunidad de desarrollar una conectividad que se adapte mejor a los requisitos de los sistemas basados en sensores que solo pueden enviar paquetes de datos diminutos a intervalos irregulares. LoRa también permite que los dispositivos IoT sean operables en ubicaciones remotas donde la energía es inconsistente y existe una dependencia de las baterías que pueden durar hasta 10 años en el campo.

Para integrar la conectividad LoRa en un dispositivo, un chipset compatible con LoRa con licencia de Semtech. LoRa Alliance incluye más de 500 empresas que han desarrollado soluciones con interoperabilidad LoRa y contribuyen a su ecosistema global de soluciones en un mercado multimillonario. Poco a poco, los chips habilitados para LoRa se están integrando en una variedad de dispositivos inalámbricos como computadoras portátiles y electrodomésticos.

Las aplicaciones LoRa abarcan la amplitud de la industria global y el despliegue de esta tecnología está tan extendido que está estableciendo el estándar para la conectividad LP-WAN y IoT/M2M y eclipsando a las tecnologías de la competencia como NB-IOT o SigFox. Los sectores con implementaciones de redes LoRa activas incluyen:

• Vigilancia ecológica
• Agricultura
• Medición de servicios públicos
• Seguimiento de inventario
• Automotor

Alternativas de conectividad de largo alcance y bajo consumo a LoRa

Antenas SigFox 915 MHz

Las antenas de 915 MHz  también se pueden utilizar para la conectividad SigFox, que utiliza la misma frecuencia que LoRa. SigFox es una tecnología LP-WAN que utiliza la modulación binaria diferencial por desplazamiento de fase (DBPSK) y la modulación por desplazamiento de frecuencia gaussiana (GFSK) para la conectividad sub gigahertz entre objetos en red. Utiliza una topología de estrella de un salto que depende en gran medida de antenas de 915 Mhz de alta calidad para un funcionamiento óptimo. Tiene una velocidad de datos de 100 bps con comunicación bidireccional limitada y está desplegado en más de 60 países.

Otras aplicaciones que utilizan la banda de frecuencia de 915 MHz

La banda de 33 centímetros también está asignada al uso de radioaficionados, con la advertencia de que puede haber vulnerabilidad a la interferencia de los dispositivos que la utilizan como banda ISM. Una variedad de esfuerzos de aficionados como la televisión de aficionados (ATV) y comunicaciones de radio como llamadas FM, CW y SSB utilizando una variedad de hardware propio o modificado. Los entusiastas encuentran que la propagación a esta frecuencia es similar a la propagación en la banda de 70 centímetros. Las antenas externas de 915 MHz se pueden utilizar con radios, repetidores y amplificadores.

Tipos clave de antena LoRa de 915 MHz

Las antenas para redes LoRa vienen en una variedad de tipos con una buena gama de características que respaldarán la cobertura y el funcionamiento efectivos de una red LoRa. Estas antenas también se pueden utilizar para las aplicaciones de 915 MHz / 33 centímetros, como se explica más adelante. Muchas de estas antenas están equipadas con conectores SMA, RP-SMA o TNC, pero  el tipo de conector debe verificarse cuidadosamente para garantizar la compatibilidad.

[A] Antena de látigo de cuarto de onda de 915 MHz

Estas antenas tienen un elemento conductor que es un cuarto de la longitud de onda a 915 MHz. Algunas están encerradas en una carcasa moldeada, pero las antenas de látigo son muy flexibles y resistentes a los impactos. Algunas unidades pueden tener un cable de vuelo para una mayor facilidad de montaje.

[B] Antena Stub de 915 MHz

Las antenas stub son esencialmente antenas helicoidales que se comprimen en una unidad compacta y portátil que puede ser ventajosa en algunas aplicaciones. Las antenas helicoidales tienen un elemento radiante en espiral que también reduce la longitud de la antena, pero no tanto como una antena auxiliar.

[C] Antena dipolo giratoria o articulada de 915 MHz

Las antenas articuladas o giratorias son altamente ajustables y, por lo general, se bloquean en su posición cuando se ha logrado su cobertura óptima. Su flexibilidad también aumenta las posibilidades de montaje. Muchas son antenas dipolo de media onda.

[D] Antena omnidireccional de 915 MHz

Las antenas omnidireccionales son antenas dipolo y se pueden utilizar para crear una cobertura de 360 grados en interiores o exteriores. Tienden a tener ganancias más bajas que las antenas direccionales ya que su haz no está enfocado. Esto significa que la dependencia de una sola antena Omni puede no producir la cobertura deseada y se necesitará una combinación de tipos de antenas para lograr los mejores resultados. Las antenas omnidireccionales para exteriores son robustas, con un radomo impermeable bien sellado y una gama de opciones de montaje. Algunos diseños son antenas de montaje de orificio pasante, otros vienen premontados en un soporte de metal con cable de puente suministrado.

[E] 915 MHz Antena direccional

Las antenas direccionales enfocan su potencia de transmisión o recepción en una dirección específica, lo que las hace capaces de proporcionar alta ganancia y rendimiento a larga distancia.

[F] 915 MHz Antena colineal

Estas potentes antenas omnidireccionales proporcionan una amplia cobertura en exteriores. Lo ideal es que estén montados en altura y sin obstrucciones para la visibilidad de la línea de visión. Por lo general, se fabrican a partir de elementos de cuarto, media onda o dipolo en fase para ofrecer una cobertura óptima del plano horizontal. Están alojados en un radomo protector de fibra de vidrio.

Preguntas frecuentes

¿Cuáles son las diferencias entre LoRa y SigFox?

SigFox se posiciona más como un operador de red que LoRa, que proporciona la tecnología para que las empresas la utilicen para crear sus redes. SigFox desplegará su red para que la usen los suscriptores.

• Las redes SigFox tienden a ser más simples que las redes LoRa.
• La cobertura de SigFox es mayor que la de LoRa.
• LoRa con CSS utiliza mucho más ancho de banda que SigFox.
• SigFox está diseñado para transmisiones poco frecuentes y tiene una mayor duración de la batería.
• Solo tiene una comunicación bidireccional muy limitada entre los nodos participantes. LoRa es un poco más sofisticado.
• Los módulos de radio y los chipsets son más baratos que los de LoRa.
• Es eficaz cuando los sensores transmiten datos con poca frecuencia.
• Actualmente>, SigFox muestra una mayor eficacia en la prevención de ataques de 'repetición' y 'hombre en el medio'.

¿Cuáles son las diferencias entre LoRa y NB-IoT?

1. El Internet de las Cosas de Banda Estrecha (NB-IoT) es una  tecnología LTE con licencia creada por el Proyecto de Asociación de Tercera Generación (3GPP).
2. Utiliza la tecnología celular para sus redes.
3. LoRa utiliza bandas ISM sin licencia, mientras que NB-IoT utiliza una parte del espectro con licencia.
4. NB-IoT es más caro que LoRa.
5. NB-IoT es más seguro que LoRa.
6. LoRa utiliza menos ancho de banda.
7. LoRa tiene una mayor duración de la batería.
8. LoRa tiene una latencia más baja.

¿Cuáles son las diferencias entre 915 MHz y 433 MHz?

Las bandas de frecuencia de 915 MHZ y 433 MHz se utilizan para redes de área amplia de baja potencia. La banda de 433 MHz está sujeta a las restricciones de la FCC en los EE. UU., lo que significa que la banda de 915 MHz se usa preferentemente para este tipo de conectividad en América del Norte. La banda de 433 MHz puede estar sujeta a menos interferencias, ya que los teléfonos inalámbricos y otros aparatos utilizan la banda de 915 MHz, así como la radioafición. Curiosamente, su rendimiento es casi equivalente, aunque la banda de 915 Mhz tiene menos cobertura y antenas más pequeñas, debido a la longitud de onda más corta.

Antena LoRa: Una antena de largo alcance o LoRa es una antena que resuena a frecuencias que la hacen adecuada para operar de acuerdo con el protocolo de red LoRa propietario. Estas antenas de frecuencia sub gigahertz facilitan transmisiones a larga distancia de baja tasa de bits, que pueden superar los 10 kilómetros (6,21 millas). En América del Norte, la frecuencia de 915 MHz está especificada para su uso por esta tecnología, lo que significa que las antenas de 915 MHz se asocian típicamente con LoRa en el mercado estadounidense.

En conclusión

La banda de frecuencia de 915 MHZ tiene una eficacia y robustez demostrables para redes de área amplia de baja potencia, y proporciona el soporte necesario para la creciente gama de aplicaciones de IoT. LoRa, en particular, ha proporcionado una tecnología accesible y fácilmente reproducible para las redes de IoT que tiene un perfil favorable en comparación con sus competidores más cercanos.