¿Qué uso práctico tiene un LoRaWAN? La tecnología cambia la vida futura

Cuando se busca comprender LoRaWAN y sus casos de uso ideales, y sus limitaciones, es importante comprender un poco de historia. LoRaWAN (entonces llamado LoRaMAC) fue desarrollado por Semtech (el único propietario de LoRa PHY IP) en colaboración con IBM Research (posteriormente abandonaron el proyecto). Los supuestos cuando se diseñó el protocolo fueron:

Para ser utilizado por las redes de operadores móviles
En una sola red coordinada
En la banda de frecuencia sin licencia de 868 MHz

Estos son supuestos importantes, porque el protocolo resultante tiene:

Límite del 1% del ciclo de trabajo (tanto para todos los transmisores como para la puerta de enlace)
Mapa de canales de frecuencia común
Procesamiento MAC (capa 2) solo en la nube

Para soportar la limitación del ciclo de trabajo del 1% para la puerta de enlace, en particular, son necesarias muchas compensaciones:

Casi todos los mensajes de enlace ascendente no se reconocen
Todas las puertas de enlace dentro del alcance ven todo el tráfico de enlace ascendente
Todo el cifrado se maneja usando claves estáticas

Como todos los mensajes de enlace ascendente no se reconocen ni se coordinan, LoRaWAN se considera un esquema de “aloha puro”. Dicha red tiene aproximadamente un 18% de eficiencia. Esto significa que el 82% de los paquetes se pierden cuando una red LoRaWAN se utiliza por completo. Como la mayoría de los mensajes no se reconocen, el nodo final no sabe que se perdió su mensaje. Para evitar esto, algunos usuarios pueden transmitir con más frecuencia, lo que agrava el problema. Lea esta publicación fácil de entender sobre Aloha Networks.

Si se agregan reconocimientos a este sistema, la eficiencia falla aún más. Esto se debe a que cada vez que la estación base está transmitiendo, no puede escuchar. Los nodos finales no saben que la puerta de enlace no puede escucharlos. Dado que la puerta de enlace solo puede transmitir el 1% del tiempo, esto solo da como resultado una pérdida de paquetes adicional de aproximadamente 1.65%.

Además, si alguien más está utilizando una red LoRaWAN, todo su tráfico también cuenta para su capacidad. Esto se debe a que todas las puertas de enlace están sintonizadas a las mismas frecuencias comunes.

Otra consideración importante para LoRaWAN es el problema cercano / lejano. Dado que LoRa solo tiene 20-30dB de rango dinámico cocanal, los nodos que están cerca de la puerta de enlace ahogan los nodos que están lejos. Esto es menos preocupante en las grandes redes MNO, ya que idealmente hay varias puertas de enlace dentro del alcance.

Nuestros amigos de The Things Network también han reunido esta pieza sobre las limitaciones de LoRaWAN.

Dicho todo esto, el caso de uso ideal para LoRaWAN es:

Sensores simples que necesitan transmitir con poca frecuencia
Falta 5-85% de datos a veces está bien
Poca habilidad para controlar este dispositivo
No hay capacidad para actualizar el firmware del dispositivo por aire
Desplegado en decenas a cientos
Puede desplegar varias puertas de enlace para cubrir cada nodo

Algunas lecturas automáticas de medidores son un gran ejemplo de un buen caso de uso para LoRaWAN. Para los medidores que actualizan la lectura, digamos una vez por hora, no importa si se pierden algunas lecturas, siempre que algunas lo hagan.

Symphony Link resuelve muchos de estos problemas. Brevemente, así es como:

1. Trama: la puerta de enlace transmite un encabezado de trama cada 2 segundos, que contiene información sobre qué canales de enlace ascendente están disponibles y cuándo se abre la ventana de enlace ascendente.

2. Confirmaciones comprimidas: en Symphony Link, de forma predeterminada, se reconocen todos los mensajes de enlace ascendente. Para lograr esto, todos los acuses de recibo se mezclan en un mensaje comprimido que reciben todos los nodos (que acaban de transmitirse).

3. Intervalo de tiempo variable de enlace ascendente / enlace descendente: la puerta de enlace decide cuánto tiempo necesita transmitir en función del tráfico de enlace descendente en cola. Indica a los nodos cuándo se completa la ventana de enlace descendente, de modo que los nodos nunca transmitan cuando la puerta de enlace no está escuchando

4. Ranura de tiempo de enlace ascendente: debido a la estructura sincrónica, las ventanas de enlace ascendente están ranuradas, lo que agrega aproximadamente un 100% más de capacidad. Esto se incrementa aún más al agregar una ventana CSMA variable antes de cada transmisión.

5. Potencia variable y factor de expansión: el nodo final recibe el RSSI del mensaje de trama de la puerta de enlace y ajusta dinámicamente su potencia y factor de expansión para que coincida con el enlace más un factor de margen configurable. Esto maximiza la capacidad, mitiga el desvanecimiento rápido y evita el problema cercano / lejano mencionado anteriormente.

6. Calidad de servicio: los nodos registran un factor QOS (0-15) con la puerta de enlace, y esto limita su capacidad de acceder a los canales en cada trama. También proporciona una manera para que la puerta de enlace limite el enlace ascendente en momentos de congestión.

7. Multidifusión: al asignar grupos de nodos en grupos de multidifusión, la cantidad de enlace descendente necesaria para el control y la transmisión de archivos es limitada.

8. MTU fija de 256 bytes: 12 bytes es demasiado pequeño para la mayoría de las aplicaciones. Symphony Link proporciona una MTU fija de 256 bytes y maneja todos los subpaquetes (por SF) y reintentos en la capa MAC.

9. Firmware en el aire: debido a las potentes funciones de multidifusión en Symphony Link, los archivos de firmware pueden transferirse a los nodos.

10. Claves AES de sesión basadas en PKI: Symphony Link no utiliza cifrado de clave fija. Cada nodo estableció una sesión AES segura utilizando Diffie-Helmann, con la clave pública de nodo proporcionada por el servidor. Esto se conoce en toda la industria como el esquema de cifrado de canal más seguro.

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