Modo de funcionamiento de retransmisión: ampliación de la cobertura LoRaWAN

El modo de operación Relay es una nueva y potente característica de la tecnología LoRaWAN para ampliar el alcance y la cobertura de Redes LoRaWAN y mejorar su fiabilidad. Esta nueva función de LoRaWAN tiene dos beneficios principales: primero, extenderá el alcance de las redes LoRaWAN y, segundo, mejorará la cobertura y la fiabilidad para los dispositivos LoRaWAN que tienen una conexión deficiente con las pasarelas debido a su ubicación distante (ejemplos: contadores de agua y gas en sótanos, parquímetros). La función de retransmisión de LoRaWAN también ayudará con la adopción y el despliegue masivos de IoT. Los nodos de retransmisión, al igual que los dispositivos y sensores LoRaWAN, funcionan con baterías y, por lo tanto, son fáciles de implementar y de bajo coste. Además, los nodos de retransmisión ayudarán a lograr una cobertura de red robusta y fiable para todos. Dispositivos LoRaWAN y sensores, reducen el número de retransmisiones y, en algunos casos, disminuyen significativamente los costos de la red, ya que los operadores no tendrán que implementar pasarelas adicionales para unos pocos dispositivos o sensores. Para comprender mejor el nuevo modo de operación Relay y los nodos Relay, centrémonos en los beneficios específicos que pueden aportar y cómo lo hacen.

¿Cómo funciona la conectividad LoRaWAN estándar?

El protocolo LoRaWAN admite implementaciones de gateways, que están diseñados para recibir y enviar mensajes desde y hacia dispositivos finales y sensores. El estándar LoRaWAN implica que el gateway recibe los mensajes y los reenvía al servidor de red. El gateway puede admitir múltiples canales, por lo que normalmente, un solo gateway recibirá respuestas de miles de dispositivos. Dispositivos LoRaWAN y sensores, y transmite esos mensajes al servidor de red. A su vez, los mensajes recibidos del servidor de red se envían a cada dispositivo y sensor LoRaWAN. Por eso se utiliza el término puerta de enlace en lugar de estación base, ya que este último implicaría el procesamiento de mensajes similar al de las tecnologías 4G-5G antes de enviarlos al servidor de red o a los dispositivos y sensores.

Protocolo de seguridad

El protocolo de comunicación estándar LoRaWAN utiliza cifrado para la transferencia segura de datos. Las transmisiones LoRa están protegidas con un esquema de cifrado de 128 bits. Este cifrado se logra mediante dos claves de sesión: una en poder del servidor de red y otra en poder del servidor de aplicaciones. Cada clave de sesión se genera durante el intercambio de conexión entre el dispositivo final y el servidor de red. Una vez que un dispositivo se ha conectado a la red, puede enviar y recibir datos de forma segura. La clave de red (NwkSKey) protege la integridad de los mensajes y la clave de aplicación (AppSKey) proporciona el cifrado.

Activación

Durante los Red LoRaWAN Durante el proceso de activación, tanto el servidor de red como el nodo final deben generar las mismas claves de sesión utilizando la información del dispositivo, los valores nonce y la(s) clave(s) secreta(s) compartida(s). Las claves de sesión se utilizan únicamente para la sesión actual del nodo final. Dado que las claves de sesión se regeneran durante cualquier proceso de conexión posterior, su pérdida o robo no es tan crítico como el de la(s) clave(s) raíz. Cabe mencionar que añadir un nodo repetidor no compromete la seguridad de LoRaWAN, por lo que no debería ser motivo de preocupación.

¿Cómo funciona la función de retransmisión LoRaWAN?

El modo de retransmisión es una nueva función de LoRaWAN que garantiza que una puerta de enlace reciba datos de un dispositivo que podría estar demasiado lejos para transmitirlos sin un nodo de retransmisión. Para ampliar la cobertura de la red, LoRaWAN puede utilizar esta nueva función, que es sencilla de implementar y económica. Los relés LoRaWAN utilizan mensajes de enlace ascendente y descendente de LoRaWAN para transferir datos. Una vez recibido el enlace ascendente del dispositivo final, el mecanismo de retransmisión encapsula el mensaje inicial con información adicional y envía un enlace ascendente a la puerta de enlace. A continuación, la puerta de enlace reenvía este enlace ascendente al servidor de red, que lo reconoce como un mensaje retransmitido. Idealmente, un módulo de retransmisión bien ubicado, robusto y resistente al ruido permitirá la comunicación bidireccional con dispositivos que estaban fuera del alcance de la cobertura de red original.

Para utilizar la nueva función de retransmisión, los dispositivos LoRaWAN deben ser compatibles con la comunicación de clase A. Esta comunicación inalámbrica bidireccional y asíncrona permite que cada transmisión de enlace ascendente se produzca en cualquier momento, seguida de ventanas de enlace descendente. La comunicación de clase A también se utiliza para enviar y recibir comandos de control de red. Permite que un dispositivo final LoRaWAN entre en un estado de bajo consumo durante el tiempo que especifique la aplicación.

El estándar LoRaWAN actual, basado en la capa de enlace LoRaWAN, consta de dispositivos finales y pasarelas. Si bien la especificación de red LoRa actual permite un solo salto entre los dispositivos finales y las pasarelas, el enfoque de dos saltos que ofrece un módulo repetidor tiene la ventaja de mejorar significativamente el área de cobertura. Como ya mencionamos, un módulo repetidor alimentado por batería es extremadamente económico y capaz de transmitir tramas LoRaWAN para lograr la cobertura necesaria.

¿Qué problemas solucionará la nueva función de relé?

Agregar una función de retransmisión a la red IoT ayudará a lograr una cobertura de red robusta en una amplia gama de sectores clave. Si cuenta con una red de Internet de las Cosas y desea obtener una excelente cobertura, debería incluir una puerta de enlace a un nodo LoRaWAN o una función de retransmisión. En el futuro, los requisitos de cobertura de red serán muy diferentes a los actuales, por lo que, si desea tener una base sólida en el sector tecnológico, debería considerar incorporar este componente esencial a su conectividad a Internet.

La función de relé ofrece una ventaja significativa para dispositivos remotos que requieren una cobertura subterránea extremadamente difícil o para casos que exigen una cobertura profunda en interiores. Las extensiones de cobertura de red son necesarias para medidores dentro de armarios metálicos, entornos altamente adversos como curvas cerradas, alarmas contra incendios en edificios, incendios forestales, inundaciones, avalanchas y movimientos de tierra, y casos similares que requieren una cobertura de red robusta y profunda en interiores. Los desafíos ambientales que rodean a muchos ámbitos en ciudades inteligentes y áreas remotas impiden que los dispositivos alcancen su máximo rendimiento, ya que pueden carecer de una cobertura de red completa. Habilitar la función de relé en el futuro permitirá, a su vez, un despliegue masivo de IoT. Con los puntos finales de relé, las comunicaciones de largo alcance estarán disponibles incluso en entornos subterráneos, de hormigón y metálicos extremadamente difíciles.

¿Por qué es mejor usar repetidores LoRaWAN en lugar de pasarelas adicionales?

Puede que te hagas esta pregunta, y estará totalmente justificada. Quizás pienses que sería más sencillo y eficaz añadir una puerta de enlace al sistema en lugar de un repetidor. Pero cuando se trata de ampliar la cobertura de la red, no hay dos opciones: puerta de enlace o módulo receptor de repetidor. Si añades una puerta de enlace más para lograr la cobertura necesaria, tendrás que esforzarte más para satisfacer las necesidades de alimentación y conexión de retorno, y pagar más. Con un nodo repetidor, en cambio, puedes obtener la misma cobertura de forma más sencilla utilizando la alimentación por batería y la conexión LoRaWAN.

Costo más bajo

La función de retransmisión LoRaWAN, a su vez, es menos costosa que las pasarelas IoT tradicionales, más fácil de integrar y mucho más eficiente en la extensión de la cobertura de red. Además de ser una solución de bajo costo, este modo de operación es una buena opción para empresas que ya cuentan con su arquitectura IoT y conocen sus límites físicos. Asimismo, un sólido programa de certificación LoRaWAN con un mecanismo de retransmisión integrado permite a las empresas reducir la cantidad de pasarelas necesarias, lo cual es un factor clave para ahorrar dinero.

Los relés crean un método de comunicación de múltiples saltos que mejora la cobertura de LoRaWAN en entornos muy exigentes, donde las pasarelas no pueden recibir las señales de los sensores para garantizar comunicaciones de largo alcance. Los miembros de LoRa Alliance identificaron que la incorporación de la especificación de relés ofrece varias ventajas, como un bajo coste y un mayor alcance de cobertura. Además, es una excelente opción para el sector de los servicios públicos, ya que los sensores de medición requieren cobertura subterránea, lo que representa una gran oportunidad de mercado para los relés alimentados por batería.

Cobertura de red completa

Una extensión de la cobertura de la red de retransmisión puede aumentar drásticamente el alcance de la comunicación. Añadir un módulo de retransmisión también simplifica el despliegue de redes LoRaWAN y facilita el despliegue masivo de IoT en ciudades inteligentes y zonas remotas. La ventaja del modo de funcionamiento de retransmisión sobre las redes de malla es que requiere menos nodos.

La nueva función de retransmisión tiene todo el potencial para convertirse en un componente clave de las redes LoRa. Puede mejorar el rendimiento de los sensores y solucionar el problema de la cobertura insuficiente. Un módulo de retransmisión garantizará una comunicación fluida de extremo a extremo para contadores de agua en armarios metálicos, dispositivos de aparcamientos subterráneos y componentes de Internet de las Cosas (IoT) exteriores afectados por condiciones climáticas extremas. Los repetidores utilizarán la información de una puerta de enlace para determinar cuándo transmitir datos al dispositivo final y cuándo reenviar tramas LoRaWAN. Se prevé que esta tecnología sea compatible con la mayoría de las aplicaciones estándar LoRaWAN, por lo que debería convertirse en una opción común para la mayoría de los sectores verticales clave.

¿De qué manera las pasarelas superan a los nodos de retransmisión?

Sigue siendo importante considerar la opción de añadir más pasarelas para configurar una monitorización fluida. Las pasarelas tienen mayor capacidad, mejor rendimiento y menor consumo energético que la nueva función de relé.

Mayor capacidad

La capacidad de la red es una función de la densidad de las pasarelas. Para maximizar la capacidad de la red y, al mismo tiempo, preservar la energía de la batería de los nodos finales LoRa, Puertas de enlace LoRaWAN Se emplea un mecanismo de velocidad de datos adaptativa. Este mecanismo envía paquetes a la velocidad más baja cuando los sensores están más cerca de la puerta de enlace. Se utiliza una velocidad mayor cuando los sensores están más lejos de la puerta de enlace. De esta forma, las puertas de enlace y los dispositivos funcionan a plena capacidad dentro de este marco.

Menor consumo de energía

El bajo consumo de energía es uno de los requisitos clave para un módulo LoRa. Hay varios factores que pueden determinar el consumo de energía, como el modo de operación y el tiempo que un dispositivo está activo. Generalmente, los modos de operación consumen más energía que los modos de reposo. Por lo tanto, es necesario considerar ambos factores al calcular el consumo de energía de un módulo LoRa. dispositivo LoRaWAN.

Las redes LoRaWAN siempre se configuran en topología de estrella, donde las pasarelas actúan como repetidores entre los dispositivos finales y envían mensajes al servidor de red. Al añadir una pasarela adicional en lugar del modo de retransmisión en LoRaWAN, se puede maximizar la cantidad de datos transferidos y minimizar el consumo de energía. El modo de bajo consumo de las pasarelas permite que los dispositivos finales entren en un modo de suspensión de bajo consumo. Además, el dispositivo puede permanecer en este modo durante el tiempo que lo requiera la aplicación.

Los terminales LoRaWAN deben ser sistemas de bajo consumo. Es fundamental evitar la sobrecarga de funciones, ya que esto provoca un consumo excesivo. La velocidad de reloj y el tamaño de la memoria también deben mantenerse bajos, dado que estos factores influyen en el consumo energético de los terminales LoRaWAN. Añadir una puerta de enlace adicional solo implica un coste mínimo, ya que el consumo eléctrico será mínimo.

Mejor rendimiento

Las pasarelas son mucho más potentes que los nodos repetidores gracias a su robusto hardware, sus capacidades de transmisión y recepción, y sus filtros de radiofrecuencia. En definitiva, las pasarelas pueden gestionar más dispositivos y garantizar un mejor rendimiento de todo el sistema inteligente.

¿Cuáles son los puntos importantes a considerar en la función de relé?

A primera vista, la información sobre el modo relé podría parecer la solución perfecta para todos los problemas del mercado de IoT. Sin embargo, debemos ser objetivos y analizar la situación con espíritu crítico, sin dejarnos deslumbrar por las campañas publicitarias. En primer lugar, para ampliar la cobertura con los relés, las empresas deberán integrar nuevos dispositivos con firmware compatible. Si bien esto podría no ser un problema para las pequeñas empresas, si hablamos de compañías globales o ciudades inteligentes, adquirir una gran cantidad de dispositivos nuevos solo para empezar a usar el modo relé puede resultar demasiado costoso e inviable.

Otro aspecto importante a considerar es la reducción de la duración de la batería. Se prevé que los dispositivos finales, que funcionarán mediante la función de relé, tengan una duración de batería entre la mitad y un cuarto menor que la de un dispositivo de clase A convencional. Esta reducción se debe a los procesos adicionales que implica el funcionamiento en modo relé. Por ejemplo, un dispositivo deberá enviar una señal WakeOnRadio de alto consumo energético para notificar al relé, lo que se espera que genere el mayor aumento en el consumo de energía. Si bien no podemos afirmar con certeza que esto ocurrirá antes de realizar pruebas en condiciones reales, estas estimaciones son probables y deben tenerse en cuenta.

Es importante tener en cuenta que, si bien un repetidor puede ampliar la cobertura y es mucho más económico que una puerta de enlace adicional, siempre consumirá capacidad de la red. Las puertas de enlace son una opción más estable y con un rendimiento superior. Por lo tanto, la decisión de utilizar o no esta nueva función de repetidor depende principalmente de tus objetivos.

¿Cómo va a abordar TEKTELIC la nueva función de relé?

TEKTELIC lidera el mercado LoRaWAN con su amplio portafolio de gateways, dispositivos, sensores y soluciones de grado operador, y siempre busca cómo aumentar el valor para sus clientes y el ecosistema LoRaWAN en general. Escuchamos a nuestros clientes para comprender sus necesidades. Creemos que el modo Relay resolverá varios problemas que enfrentan los clientes actuales y reducirá el costo total de propiedad (TCO) del operador. Apoyamos su desarrollo e implementación dentro del estándar LoRaWAN y decidimos compartirlo con ustedes y comenzar a trabajar en esta dirección. Conocemos muchas aplicaciones donde el modo Relay ayudará a monitorear activos estáticos en ciudades inteligentes, el sector de servicios públicos, estacionamientos y otros. Como miembro patrocinador de la asociación LoRaWAN, TEKTELIC cuenta hoy con más de 450 clientes, lidera la adopción masiva de IoT y cree que esta función será utilizada por muchos de sus clientes actuales y futuros. Al mismo tiempo, queremos ser objetivos y por eso les presentamos todas las ventajas y desventajas.

Bares principales

Dispositivos LoRa Ofrecen muchas características atractivas para aplicaciones de IoT. Están diseñados para ser de bajo consumo y se pueden implementar tanto en redes públicas como privadas. Los dispositivos LoRa también se pueden integrar fácilmente en la infraestructura existente. El nuevo modo de retransmisión, a su vez, puede convertirse en un avance revolucionario para entornos difíciles. Un nodo alimentado por batería resolverá el problema del transporte de paquetes LoRaWAN desde la puerta para dispositivos finales y sensores LoRaWAN a través de paredes gruesas, cubiertas metálicas en el suelo, aparcamientos subterráneos, marcos metálicos y otros entornos de difícil acceso.

Actualmente, todos los patrocinadores y colaboradores de LoRa Alliance, incluido TEKTELIC, colaboran estrechamente para finalizar la especificación del módulo de relé, de modo que las empresas puedan fabricarlo, probarlo y ponerlo a disposición de sus clientes. Mientras nuestro equipo de I+D trabaja en el dispositivo de relé real, nuestro objetivo aquí es ofrecerle una explicación clara y sencilla de esta nueva función y sus ventajas.

Todavía vemos la lista de desafíos que podrían ser importantes de abordar, tales como:

• Compatibilidad de los relés con los dispositivos actuales y la necesidad de adquirir nuevos dispositivos compatibles con firmware para relés;
• Se prevé una menor duración de la batería en los dispositivos finales (entre la mitad y un cuarto de la duración de la batería en comparación con los dispositivos de clase A actuales);
• Mayor consumo de capacidad de red;
• Incapacidad para construir una red MESH; (más bien, su objetivo es proporcionar una extensión de cobertura significativa a la arquitectura en estrella en la que se basa LoRaWAN).

Es difícil decir ahora cuán efectivo resultará ser este modo de relevo, pero cuando veamos todos los beneficios y posibles inconvenientes por separado, será mucho más fácil tomar decisiones.

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