LoRaWAN es un protocolo de red de área amplia y baja potencia (LPWAN) para sensores y contadores a batería que envían pocos datos a largas distancias. Un dispositivo envía cada lectura como un paquete de radio corto en una banda sin licencia por debajo de 1 GHz. Todos los gateways LoRaWAN a su alcance lo reciben y lo reenvían por IP a un servidor de red, que lo comprueba, elimina duplicados y entrega los datos descifrados a una aplicación. Los enlaces habituales alcanzan unos kilómetros en ciudad y más en campo abierto, a velocidades de unos cientos de bits a unos kilobits por segundo, y un dispositivo puede funcionar años con una batería. La LoRa Alliance publica la especificación, que la UIT-T también adoptó como Recomendación Y.4480.
LoRaWAN de un vistazo
| LoRaWAN | |
|---|---|
| Radio | Espectro ensanchado por chirp LoRa, bandas sin licencia por debajo de 1 GHz |
| Frecuencias | De 863 a 870 MHz en Europa (EU868), de 902 a 928 MHz en Norteamérica (US915), otros planes según el país |
| Velocidad | De 250 bit/s a 5,5 kbit/s en canales de 125 kHz en EU868 |
| Carga útil | 51 bytes por enlace ascendente a la velocidad más baja en EU868, hasta 222 bytes a la más alta |
| Alcance | Cientos de metros en interiores, kilómetros en exteriores, según las antenas y el terreno |
| Topología | Estrella de estrellas: dispositivos a gateways, gateways a un servidor de red |
| Seguridad | AES-128: una clave para la integridad en la red y otra distinta para los datos de la aplicación |
| Autonomía | Años, según el intervalo de envío y el factor de dispersión |
| Quién la opera | Usted (red privada) o un operador de red pública |
LoRa y LoRaWAN no son lo mismo
LoRa es la modulación de radio, desarrollada por Semtech. Ensancha cada símbolo como un chirp a lo largo de un canal de 125 kHz o más, lo que permite a un receptor decodificar señales muy por debajo del nivel de ruido. El factor de dispersión (SF7 a SF12) fija cuánto dura cada símbolo: un SF más alto es más lento pero llega más lejos.
LoRaWAN es el protocolo de red que va encima, publicado por la LoRa Alliance. Define cómo se unen los dispositivos, cómo se direccionan y cifran las tramas, cuándo puede recibir un dispositivo y cómo gestiona el servidor de red las velocidades. Un módulo de radio o un sensor que «usa LoRa» puede ejecutar en su lugar un protocolo propietario punto a punto que ninguna red LoRaWAN recibirá. Compruebe que el dispositivo está certificado LoRaWAN o, al menos, que indica su versión de LoRaWAN y su plan regional.
Cómo funciona una red LoRaWAN
| Elemento | Qué hace |
|---|---|
| Dispositivo final | Un sensor o una interfaz de contador con radio LoRa. Envía enlaces ascendentes cuando tiene datos y escucha enlaces descendentes en momentos fijos |
| Gateway | Recibe cada paquete LoRa que oye en sus canales y lo reenvía por Ethernet o red móvil al servidor de red. No decodifica la carga útil |
| Servidor de red | Elimina los duplicados recibidos por varios gateways, comprueba el contador de tramas y el código de integridad, gestiona las velocidades y programa los enlaces descendentes |
| Servidor de unión (join server) | Guarda la clave raíz de cada dispositivo y gestiona la unión, de modo que el servidor de red nunca ve la clave de aplicación |
| Servidor de aplicación | Descifra la carga útil y ejecuta el decodificador del dispositivo, que convierte los bytes en valores con nombre y unidad |
Los dispositivos no retransmiten unos por otros ni están atados a un gateway. Una lectura que oyen tres gateways llega tres veces al servidor de red, así que el fallo de un gateway no hace perder datos. Los gateways reenvían al servidor de red con el packet forwarder UDP de Semtech o con LoRa Basics Station sobre un WebSocket seguro.
El servidor de red es la pieza que se olvida. Toda instalación necesita uno: el de una red pública, un servicio en la nube o uno que funcione en la propia instalación. Las claves de los dispositivos, los decodificadores y las integraciones que entregan los datos viven allí, así que acuerde pronto quién es su responsable.
Clases de dispositivo
| Clase | Cuándo puede recibir el dispositivo | Dispositivo típico |
|---|---|---|
| A | Solo en dos ventanas cortas tras cada uno de sus enlaces ascendentes | Sensores a batería y lectores de contadores: todos los dispositivos admiten la clase A |
| B | También en intervalos programados, sincronizados por balizas de los gateways | Actuadores a batería que necesitan órdenes en minutos |
| C | Casi siempre, salvo mientras transmite | Relés y controladores conectados a la red eléctrica |
Una orden a un contador de clase A que informa cada hora puede esperar hasta una hora. La comparación entre Zigbee y LoRaWAN trata los enlaces descendentes, los enlaces ascendentes confirmados y los fallos que importan en obra.
Unión a la red y seguridad
Un dispositivo se une por activación over the air (OTAA): envía una solicitud de unión con su DevEUI y su JoinEUI, y el servidor de unión responde con claves de sesión derivadas de la clave raíz del dispositivo (AppKey). La activación por personalización (ABP) se salta la unión y guarda claves de sesión fijas en el dispositivo. Prefiera OTAA, porque un dispositivo en ABP que reinicia su contador de tramas queda ignorado por el servidor de red hasta que el contador supera su valor anterior.
Cada trama lleva un código de integridad calculado con la clave de sesión de red y una carga útil cifrada con la clave de sesión de aplicación. Así, el operador de la red puede encaminar una lectura sin poder leerla. Guarde las AppKeys en un almacén de claves, no en una hoja de cálculo enviada por correo.
Planes de frecuencias por región
Los parámetros regionales de la LoRa Alliance fijan los canales, las velocidades y los límites de potencia de cada región, y la normativa de radio local añade sus propios límites:
| Plan | Banda | Dónde | Limitación principal |
|---|---|---|---|
| EU868 | De 863 a 870 MHz | Europa y muchos otros países | Ciclo de trabajo, 1 % en la subbanda por defecto de 868,0 a 868,6 MHz |
| US915 | De 902 a 928 MHz | Estados Unidos, Canadá | Tiempo de permanencia de 400 ms, así que los enlaces ascendentes solo usan SF7 a SF10 |
| AU915 | De 915 a 928 MHz | Australia | Como US915, pero los enlaces ascendentes pueden usar SF12 (DR0) según los parámetros regionales actuales; el límite de 400 ms solo se aplica si la red lo indica |
| AS923 | De 915 a 928 MHz, variable | Gran parte de Asia | Subbandas y tiempos de permanencia propios de cada país |
| IN865 | De 865 a 867 MHz | India | Tres canales por defecto |
Un dispositivo se fabrica para un plan. Pídalo para el país donde se va a instalar y compruebe que el gateway y el servidor de red usan el mismo plan y, en US915, la misma subbanda de ocho canales.
Factor de dispersión, tiempo en el aire y alcance
El SF fija un compromiso entre alcance y tiempo en el aire. Para una lectura de 12 bytes (25 bytes en el aire con la cabecera LoRaWAN) en un canal de 125 kHz:
| Factor de dispersión | Tiempo en el aire | Intervalo mínimo con un ciclo de trabajo del 1 % |
|---|---|---|
| SF7 | 62 ms | 6 s |
| SF9 | 206 ms | 21 s |
| SF10 | 412 ms | 41 s |
| SF12 | 1483 ms | 148 s |
SF12 necesita 24 veces el tiempo en el aire de SF7, y la batería paga cada milisegundo. La velocidad de datos adaptativa (ADR) permite al servidor de red llevar un dispositivo con buena señal a un SF más bajo y a menos potencia, lo que ahorra batería y deja el canal libre para otros. Un dispositivo en un sótano puede que solo enlace en SF12, así que calcule su intervalo de envío y su autonomía con ese valor, no con el mejor caso de la hoja de datos.
El alcance sale del balance de enlace: potencia de transmisión, ganancias de antena, pérdidas de cable y sensibilidad del receptor al SF elegido, frente a la pérdida de trayecto de la instalación. Una antena del gateway por encima de la cubierta importa más que cualquier ajuste. Modele el enlace con la calculadora de balance de enlace radioeléctrico, compruebe el despeje de la zona de Fresnel en un enlace exterior largo y confírmelo con un dispositivo de prueba en las posiciones reales de los contadores.
LoRaWAN frente a NB-IoT, LTE-M y otras redes LPWAN
| LoRaWAN | NB-IoT | LTE-M | Sigfox | M-Bus inalámbrico | |
|---|---|---|---|---|---|
| Espectro | Sin licencia, por debajo de 1 GHz | Bandas móviles con licencia | Bandas móviles con licencia | Sin licencia, por debajo de 1 GHz | Sin licencia, 868 MHz en Europa |
| Red | Sus gateways o un operador público | Operador móvil | Operador móvil | Operador de la red Sigfox | Sus receptores, lectura a pie o desde vehículo |
| SIM o suscripción | Sin SIM; un servidor de red | SIM por dispositivo | SIM por dispositivo | Suscripción por dispositivo | Ninguna |
| Datos | Pequeños, de 51 a 222 bytes por enlace ascendente | Mensajes mayores, velocidades más altas | Hasta 1 Mbit/s aproximadamente, voz y movilidad | 12 bytes por enlace ascendente, hasta 140 al día | Telegramas de contador |
| Alcance en interiores y bajo tierra | Bueno, y puede añadir un gateway | Bueno donde hay cobertura del operador | Menor que NB-IoT | Bueno donde hay cobertura | Corto alcance |
| Uso típico | Instalaciones privadas, campus, compañías de servicios | Flotas nacionales de dispositivos fijos | Localizadores, dispositivos en movimiento | Alarmas y contadores sencillos | Lectura de contadores de agua y calor |
La decisión suele girar en torno a quién es el dueño de la red. LoRaWAN permite a una instalación o a un patrimonio tener su propia cobertura sin SIM por dispositivo. NB-IoT y LTE-M dependen de la cobertura y los precios de un operador, pero no necesitan gateways. El M-Bus inalámbrico (EN 13757-4) va a menudo dentro de los propios contadores de agua y calor y se lee con sus propios receptores. Para comparar con las redes malladas de corto alcance dentro de los edificios, vea ¿Qué es Zigbee?.
LoRaWAN para medición
En proyectos de energía y edificios, los dispositivos LoRaWAN suelen ser lectores de retrofit: un contador de impulsos en un contador de agua o gas, un sensor de corriente en un cable, una sonda de temperatura en una cámara frigorífica. Elija dispositivos que envíen un registro acumulado, como el total en m³ o en kWh, en cada enlace ascendente. Así, un enlace perdido cuesta resolución temporal, no consumo. La guía de contadores de impulsos explica cómo conectar un lector de impulsos a un contador.
Antes del despliegue, compruebe en cada dispositivo el plan regional, la versión de LoRaWAN y la clase, el decodificador, el intervalo de envío al SF que alcanza de verdad y quién custodia las claves.
LoRaWAN con EpiSensor
Edge, en la Gateway ZGW-20, lee los enlaces ascendentes decodificados de dispositivos LoRaWAN de otros fabricantes desde el servidor de red LoRaWAN de la instalación y los guarda junto a las lecturas Zigbee, Modbus y BACnet. La lista de dispositivos LoRaWAN muestra cómo se conecta cada modelo a Edge y qué campos ofrece su decodificador.
Preguntas frecuentes
¿Para qué se usa LoRaWAN?
LoRaWAN transporta lecturas pequeñas y poco frecuentes de dispositivos a batería a largas distancias: impulsos de contadores de agua, gas y calor, temperatura y humedad, pinzas de corriente, ocupación, niveles y alarmas. Encaja en instalaciones con dispositivos dispersos, tras muros o bajo tierra, donde cablear o montar una red mallada costaría más de lo que valen los datos.
¿Qué diferencia hay entre LoRa y LoRaWAN?
LoRa es la capa física: una modulación de espectro ensanchado por chirp de Semtech que cambia velocidad por alcance. LoRaWAN es el protocolo de acceso y de red publicado por la LoRa Alliance: direccionamiento de los dispositivos, unión a la red, cifrado, clases de dispositivo y cómo trabajan juntos los gateways y el servidor de red. LoRaWAN usa LoRa, pero LoRa también puede usarse sin LoRaWAN, en enlaces punto a punto que ninguna red LoRaWAN puede recibir.
¿Qué alcance tiene LoRaWAN?
En la práctica, unos cientos de metros a través de edificios y sótanos, de dos a cinco kilómetros en ciudad y diez kilómetros o más en campo abierto desde un gateway en un mástil. El alcance depende más del factor de dispersión, la altura de la antena, el terreno y los muros que del protocolo. Mídalo con un dispositivo de prueba en los puntos reales de instalación.
¿Qué frecuencia usa LoRaWAN?
LoRaWAN usa bandas sin licencia por debajo de 1 GHz, definidas por región en los parámetros regionales de la LoRa Alliance: de 863 a 870 MHz en Europa (EU868), de 902 a 928 MHz en Norteamérica (US915), de 915 a 928 MHz en Australia (AU915), de 865 a 867 MHz en India (IN865) y AS923 en gran parte de Asia. El dispositivo tiene que coincidir con el plan de su red.
¿Es LoRaWAN mejor que NB-IoT?
Ninguno es mejor en general. LoRaWAN funciona en espectro sin licencia con gateways que pueden ser suyos, sin SIM ni operador, lo que encaja en instalaciones privadas y sótanos a los que llega su propio gateway. NB-IoT funciona en la red con licencia de un operador móvil con una SIM por dispositivo, lo que encaja en dispositivos repartidos por todo un país donde el operador ya tiene cobertura.
¿LoRaWAN necesita Internet?
No. Los gateways necesitan una conexión IP con el servidor de red, pero el servidor de red puede funcionar en la propia instalación, en la misma red local. Solo una red pública o un servidor de red en la nube necesitan conexión a Internet.