Introducción
La tecnología LoRaWAN (red de área amplia de largo alcance) ha revolucionado el panorama de la Internet de las cosas (IoT), ya que ofrece un medio para conectar dispositivos a largas distancias sin necesidad de un gran consumo de energía. Esta revolucionaria innovación ha impulsado avances en diversos sectores, como las ciudades inteligentes, la agricultura, la gestión de la cadena de suministro y el control medioambiental.
Comprender cómo los factores influyen en el alcance de LoRaWAN es fundamental para la planificación, la expansión y la optimización del rendimiento de la red, lo que lo convierte en un tema de gran interés técnico y comercial.
La capacidad de maximizar el alcance de las redes LoRaWAN permite el despliegue de redes de sensores inalámbricos en vastas extensiones geográficas, una hazaña que antes resultaba prohibitiva tanto desde el punto de vista financiero como logístico. Sin embargo, lograr esta cobertura extendida no está exento de desafíos. El alcance de una red LoRaWAN está sujeto a múltiples influencias que se derivan de las especificaciones técnicas, las condiciones ambientales, los límites regulatorios y las características inherentes de la propagación de radiofrecuencias.
Este artículo tiene como objetivo profundizar en la gran cantidad de factores que afectan el alcance de las redes LoRaWAN. Explorará los fundamentos técnicos del protocolo, la interacción de diferentes parámetros ambientales, la importancia de la topología de la red y las limitaciones impuestas por el cumplimiento de los marcos regulatorios. A través de este análisis exhaustivo, brindaremos a los lectores una comprensión integral de los determinantes del alcance de LoRaWAN, reforzada por estudios de casos y aplicaciones del mundo real.
Entendiendo LoRaWAN
Antes de profundizar en los distintos factores que influyen en el alcance de una red LoRaWAN, es fundamental comprender las características fundamentales de esta tecnología y los principios que sustentan su funcionamiento. LoRaWAN se encuentra en la intersección de dos componentes clave: LoRa, la capa física o la técnica de modulación que codifica los datos en ondas de radio, y LoRaWAN, el protocolo de red que define la arquitectura del sistema y los protocolos de comunicación.
- LoRa: La capa física
LoRa se deriva de “Long Range” (largo alcance) y es una técnica de modulación de espectro ensanchado que emplea la tecnología Chirp Spread Spectrum (CSS). Este método es conocido por mantener la comunicación a grandes distancias, logrando rangos que pueden extenderse varios kilómetros en áreas rurales abiertas. Uno de los principales beneficios de la modulación LoRa es su resistencia a la interferencia de la señal y sus bajos requisitos de energía, lo que permite que los dispositivos que funcionan con baterías funcionen durante años sin necesidad de recarga. - LoRaWAN: el protocolo de red
LoRaWAN define el protocolo de comunicación y la arquitectura del sistema para la red mientras utiliza la capa física LoRa. Es un protocolo de capa de control de acceso al medio (MAC) que mantiene la integridad y la seguridad de la red. LoRaWAN permite la comunicación bidireccional, una característica crucial para los dispositivos IoT que necesitan enviar datos (como lecturas de sensores) y recibir comandos (como mensajes de control de actuadores).
Cómo funciona LoRaWAN
- LoRaWAN permite que los dispositivos se comuniquen con aplicaciones conectadas a Internet a través de conexiones inalámbricas de largo alcance. La arquitectura de red suele estar diseñada en una topología en estrella, donde los dispositivos finales utilizan una comunicación inalámbrica de un solo salto con una o varias puertas de enlace LoRaWAN, todas conectadas a un servidor de red central.
- La tecnología opera en la banda ISM (industrial, científica y médica) sin licencia, que varía según la región (por ejemplo, 868 MHz en Europa, 915 MHz en América del Norte). Las redes LoRaWAN pueden manejar millones de mensajes por día, lo que las hace escalables y versátiles para diversas aplicaciones.
Criterios para describir una red en tecnología de radio
Básicamente, existen tres características que se pueden utilizar para describir una red en tecnología de radio:
- Rango
- Velocidad de transferencia de datos
- Consumo de energía
Es difícil otorgar la misma importancia a los tres criterios porque las leyes de la física tienen límites claros al respecto. Por ejemplo, LoRaWAN puede transmitir datos a largas distancias con relativamente poca energía, pero a velocidades de datos muy bajas.
Las conexiones Wi-Fi y Bluetooth permiten alcanzar velocidades de datos elevadas, pero el consumo de energía es relativamente alto y el alcance es reducido. Todos los usuarios de teléfonos inteligentes conocen bien este ansia de energía. Las estaciones base de los grandes operadores de telecomunicaciones ofrecen velocidades de datos elevadas y distancias relativamente largas, pero para ello deben suministrar mucha energía. Por ello, el suministro de energía es un factor esencial en este tipo de instalaciones.
Equilibrio de transmisión de potencia
El balance de potencia de transmisión indica la calidad del canal de transmisión de radio. Se puede calcular sumando la potencia de transmisión, la sensibilidad del receptor, la ganancia de la antena y la pérdida de trayectoria en el espacio libre (FSPL).
LoRaWAN calcula el balance de transmisión de potencia.
La pérdida de trayectoria representa la energía perdida en el espacio libre a lo largo de una distancia entre el transmisor y el receptor. Cuanto más lejos esté TX de Rx, menor será la energía.
La pérdida de trayectoria generalmente se expresa como
Dónde significa:
Licenciatura en Derecho por la Universidad de Florida = Pérdida de trayectoria en el espacio libre;
d = distancia entre TX y Rx en metros;
F = frecuencia en hercios
También existe una fórmula logarítmica ampliamente utilizada para la atenuación en el espacio libre:
Duplicar la distancia (d) significa una pérdida de 6dB.
En el extremo receptor (Rx), la sensibilidad del extremo receptor es el factor que afecta el equilibrio de la transmisión de potencia. La sensibilidad del Rx describe la potencia recibida mínima posible y la tolerancia al ruido térmico:
Dónde significa:
BW = ancho de banda en Hz;
NF = factor de ruido en dB;
SNR = relación señal-ruido.
Indica qué tan lejos debe estar la señal del ruido.
El receptor del dispositivo LoRa es más sensible y, por lo tanto, mejor que el de WLAN. El caso extremo de pérdida de trayectoria sin tener en cuenta la ganancia de antena y otros tipos de atenuación en el espacio libre:
Un ejemplo de cálculo del balance de transmisión de potencia LoRaWAN:
Potencia TX = 14 dBm;
Ancho de banda = 125 KHz = 10 log10 (125000) = 51;
NF = 6 dB (las puertas de enlace en redes LoRaWAN tienen valores NF más bajos);
SNR = -20 (para SF = 12).
Al introducir estos números en la Fórmula ③ se obtiene una sensibilidad Rx de -137 dBm
Sensibilidad Rx = – 174 + 51 + 6 – 20 = -137 dBm
El equilibrio de transmisión de potencia se puede calcular de la siguiente manera utilizando la fórmula:
Balance de transmisión de potencia = -137dB – 14dB = -151dB
Con los valores indicados, el balance de potencia de transmisión del alcance LoRaWAN es de 151 dB, por lo que puede superar distancias de hasta 800 km en condiciones óptimas (atenuación pura en espacio libre). El alcance de LoRaWAN es de 702 km, el récord mundial.
En Lansitec El récord es de 20 km:
- La pasarela está instalada en la parte superior de un edificio de 30 m
- El rastreador está en un barco en el mar.
- Potencia TX = 20dBm
Factores técnicos que afectan el alcance de LoRaWAN
El alcance de una red LoRaWAN no está determinado simplemente por un único elemento, sino que es el resultado acumulativo de varios componentes técnicos, que abarcan aspectos de la potencia de transmisión, la sensibilidad del receptor y las características de la antena, que juntos conforman la capacidad fundamental de una red LoRaWAN para transmitir datos a distancia.
La potencia de transmisión es vital para determinar la distancia que pueden recorrer las ondas de radio. Una mayor potencia puede equivaler a un mayor alcance; sin embargo, esto implica un mayor consumo de energía, lo que afecta la duración de la batería del dispositivo. Además, los límites reglamentarios suelen limitar la potencia de transmisión máxima permitida para evitar interferencias con otras tecnologías inalámbricas.
- Restricciones regulatorias:Cada país y región tiene sus propias normativas que regulan la potencia de transmisión. Por ejemplo, en Europa, según las normativas del ETSI, la potencia de transmisión máxima para dispositivos LoRaWAN suele estar limitada a 14 dBm en la banda ISM de 868 MHz.
- Amplificación de potencia:Algunos dispositivos LoRaWAN pueden incluir amplificadores de potencia para aumentar su potencia de transmisión, pero estos están limitados por límites legales y la compensación con la duración de la batería.
Un receptor más sensible aumenta el alcance de LoRaWAN ya que puede captar señales más débiles que de otro modo se perderían debido a la pérdida de trayectoria y factores ambientales.
- Calidad y diseño de los receptores:Los receptores de alta calidad con mejores factores de ruido mejoran la sensibilidad del sistema. Esto es fundamental en situaciones en las que se deben detectar señales a distancias considerables o en condiciones difíciles.
- Impacto en el diseño de la red:La implementación de receptores con alta sensibilidad podría reducir potencialmente la cantidad de puertas de enlace necesarias en una implementación de LoRaWAN, ya que cada puerta de enlace puede detectar y procesar señales de dispositivos más distantes.
Tipo y ubicación de la antena
La antena es un elemento crucial de la configuración del hardware de LoRaWAN. Su diseño, ubicación y el entorno circundante pueden afectar significativamente el alcance de la red.
- Ganancia de la antena:La ganancia de una antena refleja su directividad y eficiencia. Una antena con mayor ganancia concentrará la energía de manera más efectiva en una dirección particular, lo que posiblemente aumente el alcance. Sin embargo, las antenas con alta ganancia también pueden tener anchos de haz más estrechos, lo que puede ser un inconveniente en algunos escenarios de implementación.
- Tipo de antena:Las antenas omnidireccionales irradian potencia de manera uniforme en todas las direcciones horizontales, mientras que las antenas direccionales concentran la potencia en una dirección específica. La elección entre estos tipos depende de la aplicación particular y del área que se necesita cubrir.
- Colocación y entorno:La ubicación de la antena puede ser tan importante como su diseño. Las antenas deben instalarse sin obstrucciones y con una buena línea de visión hacia el área de cobertura. Los edificios, el follaje y el terreno pueden afectar la propagación de la señal, lo que afecta el alcance.
Factor de atenuación del espacio libre
Al duplicar la distancia, la atenuación del espacio libre de LoRa aumenta en 6 dB, por lo que la atenuación de la propagación de radio sigue una función logarítmica (ver la fórmula a continuación).
- Licenciatura en Derecho por la Universidad de Florida= Pérdida de trayectoria en el espacio libre;
d = distancia entre TX y Rx en metros; F = frecuencia en hercios
[FSPL (dB) = 20log10 (d) + 20log10 (f) -147,55].
Además de la pérdida de energía causada por el alcance LoRaWAN, la reflexión y refracción de las ondas de radio en los objetos también pueden provocar que las ondas de radio se superpongan.
Factores ambientales que afectan el alcance de LoRaWAN
El entorno en el que opera una red LoRaWAN desempeña un papel importante en su alcance efectivo. Factores como el terreno, las estructuras artificiales y el clima pueden afectar la propagación de la señal, lo que presenta desafíos que se deben superar para mantener un buen rendimiento de la red.
- Terreno——Factor de zona de Fresnel.
- La geografía física del paisaje puede determinar de forma importante la propagación de las ondas de radio. Las señales LoRaWAN pueden viajar más lejos en áreas abiertas y planas que en regiones montañosas o con colinas donde la línea de visión puede verse obstruida con frecuencia.
- La zona de Fresnel es un concepto en las comunicaciones inalámbricas que se refiere a una región elíptica fuera de la línea de visión directa entre dos dispositivos de comunicación. Esta zona es importante en las comunicaciones inalámbricas, ya que los obstáculos dentro de esta área pueden causar dispersión de la señal y efectos de trayectos múltiples, que pueden afectar la calidad de la comunicación. Por lo tanto, en la planificación e instalación de sistemas de comunicación inalámbrica, se debe considerar el impacto de la zona de Fresnel en la transmisión de la señal y es importante garantizar un espacio libre suficiente a lo largo de la ruta de comunicación.
- Es esencial establecer una línea de visión lo más recta posible entre el transmisor y el receptor si se desea cubrir largas distancias de manera efectiva y obtener un buen equilibrio de transmisión de potencia. Ciertas áreas del espacio entre las líneas de visión de la transmisión de radio son regiones de Fresnel. La propagación de las ondas se verá afectada negativamente si hay objetos en estas áreas, a pesar del contacto visual habitual entre las antenas transmisora y receptora. Para cada objeto en el cinturón de Fresnel, el nivel de señal cae y el alcance de LoRaWAN se reduce (ver Figura 3 Factor de zona de Fresnel según el rango de LoraWAN). Por lo tanto, suele ser mejor instalar un sistema LoRaWAN encima de un edificio. Cuanto más alto, mejor.
Una antena omnidireccional es una tecnología común en las redes de la gama LoRaWAN. De esta forma, la energía radiada se difunde en el plano horizontal, y los nodos y las puertas de enlace de la red se ubican allí. En Europa, la potencia de transmisión en la banda ISM está limitada a 14 dBm a 868 MHz. La ganancia máxima de la antena es de 2,15 dBi.
Estructuras artificiales: factor de amortiguamiento estructural y entornos urbanos
- En entornos urbanos, los edificios pueden obstruir y reflejar señales de radio, lo que genera atenuación (pérdida de señal) y propagación por trayectos múltiples, donde las señales toman múltiples caminos para llegar al receptor, lo que potencialmente causa interferencias y reduce la calidad de la señal recibida.
Coeficiente de atenuación estructural La atenuación estructural, es decir, la atenuación de las señales de radio al atravesar diferentes obstáculos, afecta a la recepción de las señales transmitidas y hace que el alcance de la señal se reduzca considerablemente. Por ejemplo, la atenuación del vidrio es de solo 2 dB. Esto afecta mucho menos que una pared de hormigón de 30 centímetros de espesor. La siguiente tabla muestra los distintos materiales y su atenuación típica.
Atenuación material |
dB |
|---|---|
|
Vidrio (6 mm) |
0.8 |
Condiciones climáticas y atmosféricas
- Las condiciones climáticas, como la lluvia, la niebla y la humedad, pueden absorber o dispersar las ondas de radio, lo que provoca una pérdida adicional de señal. Si bien LoRa es más resistente a estos efectos en comparación con las tecnologías de mayor frecuencia, los fenómenos meteorológicos importantes pueden reducir la intensidad de la señal y, en consecuencia, el alcance de la red.
- Estos factores ambientales subrayan la necesidad de realizar estudios exhaustivos del sitio y una planificación de la red para garantizar una conectividad confiable en diferentes escenarios de implementación. Es importante considerar las posibles implicaciones en términos de alcance al instalar la infraestructura LoRaWAN y adaptar el diseño de la red para mitigar los impactos ambientales.
Configuración de red y factores que afectan el alcance de LoRaWAN
Las opciones de diseño y configuración de la red influyen directamente en el alcance operativo de una red LoRaWAN. Estas opciones dependen de factores de expansión, configuraciones de ancho de banda, velocidades de codificación y cómo la red gestiona las interferencias de la señal.
- Factor de propagación (FE)
El factor de expansión en LoRaWAN modula la cantidad de chirridos por bit de datos transmitidos. Es un parámetro crítico que compensa la velocidad de datos y el alcance. Los factores de expansión más altos dan como resultado velocidades de datos más bajas, pero permiten un alcance más amplio, ya que la señal se puede detectar a mayores distancias con una relación señal-ruido más baja.
- En las redes LoRaWAN, la configuración específica de la tasa de transferencia de datos utiliza factores de propagación (SF). La red LoRaWAN utiliza SF7 a SF12. Debido a su modulación de espectro ensanchado por chirrido y las diferentes frecuencias de cambio de fase utilizadas en el chirrido, la red LoRaWAN es insensible a la interferencia, la propagación por trayectos múltiples y el desvanecimiento. En las redes de rango LoRaWAN, el lado TX utiliza chirrido para codificar datos, mientras que el lado Rx utiliza chirrido inverso para decodificar señales. La cantidad de chirridos que se utilizan por segundo, la definición de la tasa de bits y la cantidad de energía irradiada por cada símbolo, y el rango LoRaWAN que se puede lograr se han representado anteriormente. Por ejemplo, la tasa de bits de SF9 es 1/4 de SF7, que la escalabilidad de LoRaWAN puede lograr. Cuanto más lenta sea la tasa de bits, mayor será la energía y el tiempo de transmisión más largo, y mayor será el rango de cada conjunto de datos.
Factor de propagación |
Fichas/símbolo |
Límite de relación señal/ruido (SNR) |
Tiempo en el aire (paquete de 10 bytes) |
Tasa de bits |
|---|---|---|---|---|
|
7 |
128 |
-7.5 |
56 ms |
5469 puntos por segundo |
- Al utilizar un SF más alto, las señales LoRa se vuelven más robustas a las interferencias y pueden recibirse en distancias más largas, aunque con la desventaja de un mayor tiempo de transmisión y una menor capacidad de red.
- Ancho de banda y velocidad de codificación
LoRaWAN permite el ajuste del ancho de banda y la tasa de codificación, que afectan la robustez de la señal LoRa frente al ruido y la interferencia.
- Ancho de banda (BW):Un ancho de banda mayor aumenta la velocidad de transmisión de datos, lo que reduce el tiempo en el aire pero hace que la señal sea más susceptible al ruido. Por el contrario, un ancho de banda menor da como resultado una velocidad de transmisión de datos menor pero una señal más resistente.
- Tasa de codificación (CR):La tasa de codificación define la relación entre los bits de datos y el número total de bits transmitidos, teniendo en cuenta los códigos de corrección de errores. Una tasa de codificación más alta significa que se transmiten más datos redundantes, lo que proporciona una mayor resistencia a los errores de bits a expensas de la eficiencia de la tasa de datos.
- Interferencia de canal
LoRaWAN opera en las bandas ISM sin licencia, donde también transmiten otros dispositivos y tecnologías. La presencia de interferencias de estas fuentes puede afectar la claridad de la señal y reducir el alcance efectivo.
- Interferencia entre canales:Cuando varios dispositivos transmiten en el mismo canal de frecuencia, puede producirse interferencia entre canales. El uso de modulación CSS en LoRa ayuda a mitigar este problema, pero sigue siendo un factor en redes densamente pobladas.
- Limitaciones del ciclo de trabajo:Algunas regiones imponen límites de ciclo de trabajo a las transmisiones en las bandas ISM. Esto se refiere a la relación entre el tiempo de transmisión y el tiempo total y está diseñado para reducir la posibilidad de interferencia. Esta limitación puede afectar la cantidad de mensajes que un dispositivo puede enviar y, por lo tanto, influir en el diseño de la red.
Factores regulatorios y de cumplimiento
Los factores regulatorios también son fundamentales a la hora de determinar el alcance de una red LoRaWAN debido a las limitaciones y requisitos impuestos por los reguladores del espectro radioeléctrico.
- Normas de frecuencia: Las distintas regiones han designado rangos de frecuencia específicos para la banda ISM. Los organismos reguladores, como la FCC en los Estados Unidos y el ETSI en Europa, regulan la frecuencia, la potencia y el ciclo de trabajo para equilibrar las necesidades de los distintos servicios que comparten el espectro.
- Cumplimiento: El cumplimiento de las normativas es esencial no solo para el funcionamiento legal, sino también para garantizar que los dispositivos estén optimizados para las frecuencias que utilizan. El cumplimiento de estas normativas garantiza la interoperabilidad y la fiabilidad de la red, a la vez que evita sanciones o interrupciones operativas.
Factores tecnológicos avanzados
Los avances emergentes en tecnología ofrecen nuevas soluciones para mejorar el alcance y la eficiencia de las redes LoRaWAN.
- Velocidad de datos adaptativa (ADR):ADR optimiza la configuración de potencia de SF y TX para nodos individuales, mejorando la eficiencia energética y el rendimiento general de la red.
- Topología de red:La implementación de puertas de enlace adicionales puede mejorar la cobertura y la capacidad. La ubicación estratégica de estas puertas de enlace, teniendo en cuenta el terreno y las posibles obstrucciones, es esencial para la optimización de la red. A través de estas diversas configuraciones de red y consideraciones regulatorias, se puede ajustar una red LoRaWAN para maximizar su alcance, al mismo tiempo que se cumplen los requisitos legales y se optimiza el tráfico de la red.
Conclusión y perspectivas futuras
Para concluir nuestro análisis detallado, hemos desentrañado la gran cantidad de factores que influyen en el alcance de las redes LoRaWAN, desde las complejidades técnicas de la potencia de transmisión y la sensibilidad del receptor hasta las complejidades del entorno en el que se implementa la red. También hemos visto cómo las consideraciones regulatorias y las configuraciones de red avanzadas pueden afectar aún más el alcance y la eficiencia de la cobertura de la red.
En conclusión, maximizar el alcance de las redes LoRaWAN es un desafío dinámico y multifacético que requiere una comprensión profunda de las especificaciones técnicas, una evaluación cuidadosa del entorno de implementación, atención al cumplimiento normativo y la capacidad de adaptarse a una tecnología en constante avance.
Al mirar hacia el futuro de la IoT y los dispositivos conectados, las lecciones aprendidas de estos casos y análisis guiarán el crecimiento y la optimización continuos de las redes LoRaWAN en todo el mundo.
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