¿Ya has oído hablar de LoRaWAN, pero términos como «gateway», «uplink», «downlink» o «Spreading Factor» aún te resultan confusos? No te preocupes: no hace falta ser un experto en radiocomunicaciones para entender cómo funciona una red LoRaWAN.
Imagina, por ejemplo, un sensor de temperatura instalado en un cuarto técnico o en una sala de reuniones. Este sensor debe enviar periódicamente sus lecturas a un sistema de supervisión, sin cables de comunicación y sin tener que cambiarle la pila cada seis meses. Ese es precisamente el tipo de necesidad a la que da respuesta el protocolo LoRaWAN.
En este artículo, vamos a descubrir paso a paso:
- qué es LoRaWAN
- ¿Cómo circula un dato?
- ¿Para qué sirven los sensores, las pasarelas y el servidor LoRaWAN?
- qué significan «uplink» y «downlink»
- ¿Cómo funcionan las clases A, B y C?
- Cómo gestiona LoRaWAN el alcance, la autonomía y la seguridad
- Cómo elegir entre una red LoRaWAN privada y una red gestionada.
Al final de este artículo, comprenderás los fundamentos de LoRaWAN y la función de cada elemento de la red.
¿Qué es LoRaWAN?
Quiénes somos
LoRaWAN es un protocolo de comunicación por radio diseñado para dispositivos conectados. Pertenece a la familia de redes LPWAN, siglas de «Low Power Wide Area Network». En español, esto se refiere a una red de área amplia de bajo consumo energético.
El protocolo LoRaWAN resulta especialmente adecuado para los dispositivos que deben:
- funcionar varios años con la batería
- enviar sus datos sin necesidad de cables
- recorrer una distancia considerable
- atravesar varias paredes o plantas
- enviar mensajes breves a intervalos regulares.
En un edificio, un sensor LoRaWAN puede, por ejemplo, medir:
- una temperatura
- un nivel de humedad
- una concentración de CO₂
- el consumo de agua, gas o electricidad
- la apertura de una puerta o una ventana
- el estado de un equipo
- una fuga de agua
- la posición de una válvula.
Por lo tanto, LoRaWAN se utiliza ampliamente en los ámbitos de edificio , los BMS, la industria, la agricultura, la logística y las ciudades conectadas.
¿Para qué no está pensado LoRaWAN?
LoRaWAN está diseñado para transmitir datos breves: una temperatura, un estado, un índice o una alarma. No es adecuado para enviar:
- de un vídeo
- de un sonido continuo
- de archivos de gran tamaño
- cientos de mediciones por segundo.
Un sensor que envía un dato de temperatura cada diez minutos se adapta perfectamente al uso de LoRaWAN. Una cámara que transmite vídeo en directo, no.
¿Cuál es la diferencia entre LoRa y LoRaWAN?
Los términos «LoRa» y «LoRaWAN» se utilizan a menudo como si se refirieran a lo mismo. Sin embargo, corresponden a dos conceptos diferentes.
LoRa: la señal de radio
LoRa es la tecnología de modulación que se utiliza para transmitir un mensaje por el aire. Es la parte «de radio» de la comunicación. Permite, entre otras cosas, conseguir un buen alcance con un consumo energético reducido.
LoRaWAN: las normas de la red
LoRaWAN es el protocolo que regula las comunicaciones. En concreto, define:
- cómo se incorpora un objeto a la red
- cuando puede enviar un mensaje
- cuando puede recibir un pedido
- Cómo se protegen las transacciones
- cómo gestiona la red los distintos objetos.
Podemos recurrir a una comparación sencilla: LoRa es la carretera por la que circula el mensaje. LoRaWAN equivale al código de circulación, a las señales y a las normas de tráfico. Ambos son complementarios. LoRa transporta la señal, mientras que LoRaWAN organiza la red.
¿Cómo funciona una red LoRaWAN?
Una red LoRaWAN puede parecer compleja cuando se observa un esquema técnico. Sin embargo, su arquitectura se basa en cuatro elementos fáciles de identificar:
- el sensor o el dispositivo conectado
- la pasarela LoRaWAN
- el servidor de red LoRa
- la aplicación de negocio o el BMS
1. El sensor LoRaWAN mide y envía
El sensor es el punto de partida de los datos. Por ejemplo, mide una temperatura de 21,4 °C y, a continuación, transforma esa medición en un pequeño mensaje digital. Después, envía ese mensaje por radio.
2. La pasarela LoRaWAN recibe el mensaje
La pasarela LoRaWAN, también denominada «gateway» LoRaWAN, escucha los mensajes enviados por los sensores que se encuentran en su zona de cobertura. Recibe las tramas de radio y las transfiere al servidor encargado de gestionar la red. Por lo tanto, la pasarela actúa como un repetidor. No decide por sí sola qué significan los datos.
3. El LNS organiza la red
El LoRa Network Server, a menudo abreviado como LNS, es el cerebro de la red LoRaWAN.
Entre otras cosas, se encarga de:
- los sensores autorizados a incorporarse a la red
- la autenticación de los sensores
- algunos parámetros de radio
- el envío de mensajes a los sensores
- la eliminación de los mensajes recibidos varias veces
El LNS puede ser:
- integrado directamente en una pasarela
- instalado en un servidor local
- alojado en la nube
4. La aplicación aprovecha los datos
Una vez procesado el mensaje, los datos deben hacerse comprensibles y utilizables. Pueden enviarse a:
- un BMS
- un autómata
- una supervisión
- una plataforma de IoT
- un programa informático de seguimiento energético
- una aplicación empresarial.
En un edificio, una pasarela con LNS integrado puede, por ejemplo, poner los datos a disposición de un controlador mediante protocolos como Modbus o BACnet.
El proceso completo de una medición
Volvamos a nuestro sensor de temperatura:
- el sensor marca 21,4 °C
- envía una trama LoRaWAN
- Una pasarela recibe esta trama
- El LNS comprueba y organiza el mensaje
- los datos se descodifican
Uplink y downlink: ¿en qué dirección circulan los datos?
En una red LoRaWAN, los mensajes pueden circular en ambos sentidos. En este caso, se habla de«uplink » y «downlink».
¿Qué es un enlace ascendente LoRaWAN?
Un «uplink» es un mensaje enviado por el sensor a la red. Se trata de un mensaje «ascendente». Un «uplink» puede contener información como:
- una temperatura
- un nivel de CO₂
- un indicador de contador
- una alarma
- el estado de una entrada
- el nivel de batería del sensor.
La ruta es la siguiente:
Sensor → Pasarela → LNS → Aplicación o BMS
Para recordar este término, basta con pensar en la palabra inglesa «up», que significa «hacia arriba».
¿Qué es un enlace descendente LoRaWAN?
Un enlace descendente circula en sentido contrario. Se trata de un mensaje enviado por la red al sensor. Puede servir para:
- modificar la frecuencia de envío de un sensor
- modificar un umbral de alarma
- enviar una nueva instrucción
- abrir o cerrar un relé
- modificar la posición de una válvula.
La ruta queda entonces así:
Aplicación o BMS LNS → Pasarela → Objeto
Ejemplo con una válvula termostática
Una válvula mide la temperatura de una estancia y envía el dato mediante un enlace ascendente. El BMS la medición y decide reducir la calefacción. A continuación, envía una nueva consigna mediante un enlace descendente. La válvula recibe esta consigna y cierra ligeramente su motor.
Por lo tanto, LoRaWAN permite tanto recopilar datos como controlar determinados equipos.
No obstante, los enlaces descendentes siguen estando más limitados que los ascendentes. Un dispositivo que funciona con batería no tiene por qué estar escuchando la red constantemente. El momento en el que puede recibir un comando depende, entre otras cosas, de su clase LoRaWAN.
Las clases A, B y C de LoRaWAN explicadas de forma sencilla
La clase de un sensor LoRaWAN define su comportamiento de radio.
Responde a tres preguntas:
- ¿Cuándo envía el dispositivo sus datos?
- ¿Cuándo escucha la red?
- ¿Cuándo puede recibir un pedido?
Hay tres clases principales: A, B y C.
| Clase | Funcionamiento | Consumo | Uso habitual |
|---|---|---|---|
| A | Escucha brevemente tras enviar un dato | Muy bajo | Sensores alimentados por batería |
| B | Escucha en horarios programados | Nivel intermedio | Aplicaciones específicas |
| C | Escucha casi todo el tiempo | Elevada | Actuadores alimentados |
Clase A: el sensor LoRaWAN permanece inactivo la mayor parte del tiempo
La clase A es la más utilizada.
Su funcionamiento es sencillo:
- el sensor se activa
- realiza una medición
- envía un enlace ascendente
- abre dos breves ventanas de recepción
- es posible que reciba un enlace descendente
- vuelve a entrar en modo de suspensión.
Por lo tanto, el sensor pasa la mayor parte del tiempo en modo de reposo. Eso es lo que le permite funcionar varios años con la batería.
La clase A es especialmente adecuada para:
- sensores de temperatura
- sensores de humedad
- contadores
- detectores de apertura
- sensores de calidad del aire.
Su principal limitación tiene que ver con los comandos descendentes. Para enviar un downlink, la red suele tener que esperar a que el sensor haya transmitido un uplink y haya abierto sus ventanas de recepción.
Por lo tanto, la clase A favorece la autonomía, pero no la reacción inmediata.
Clase B: el sensor LoRaWAN se activa a horas concretas
En la clase B, el sensor abre ventanas de escucha programadas.
La red y el dispositivo se sincronizan mediante mensajes denominados «beacons». De este modo, el sensor sabe en qué momentos debe estar atento a una posible orden.
Se puede comparar este funcionamiento con el de una persona que revisa su buzón a horas fijas.
La clase B supone un término medio entre autonomía y disponibilidad, pero sigue siendo relativamente poco utilizada en las aplicaciones habituales de BMS.
Clase C: el dispositivo permanece a la escucha en todo momento
En la clase C, el objeto está a la escucha en la red casi continuamente, salvo cuando está transmitiendo.
Por lo tanto, puede recibir un pedido prácticamente en cualquier momento.
Esta clase es adecuada para equipos que deben reaccionar con rapidez:
- relais
- actuadores
- válvulas alimentadas
- termostatos
- equipos de navegación.
Esta escucha permanente consume mucha energía. Por eso, los aparatos de clase C suelen conectarse a una fuente de alimentación externa.
¿Qué frecuencias utiliza LoRaWAN?
El protocolo LoRaWAN no utiliza exactamente la misma banda de radio en todo el mundo.
Las frecuencias dependen de la normativa local.
En Europa, y por lo tanto en Francia, LoRaWAN utiliza principalmente la banda EU868, en torno a los 868 MHz.
En Estados Unidos se utiliza principalmente la banda US915. En Australia, la banda utilizada se denomina AU915.
Esto significa que un sensor diseñado para el mercado estadounidense no es automáticamente compatible con una red europea.
Antes de una implementación, hay que comprobar que:
- El sensor utiliza la frecuencia correcta
- La pasarela utiliza el mismo plan de frecuencias
- los equipos están autorizados en el país en cuestión.
Las bandas LoRaWAN suelen ser las denominadas «bandas libres». No es necesario adquirir una licencia de radio para utilizarlas.
La Alianza LoRa define en este documento las frecuencias que se pueden utilizar en cada país.
Factor de dispersión, ADR y ciclo de trabajo: los tres conceptos de radio que hay que conocer
Estos tres términos parecen técnicos. Sin embargo, su principio es bastante sencillo.
El «Spreading Factor»: ¿ir rápido o llegar lejos?
El factor de dispersión, abreviado como SF, influye en la duración y la solidez de un mensaje de radio. Suele situarse entre SF7 y SF12.
Imagina que tienes que transmitir una frase a una persona que se encuentra lejos de ti. Cuando está cerca, puedes hablar rápido. Cuando está muy lejos, tienes que hablar más despacio y pronunciar cada palabra con claridad para que te entiendan. En LoRaWAN, el principio es similar.
Con un SF bajo, como el SF7
El mensaje se envía rápidamente.
Esto permite:
- consumir menos energía
- ocupar la frecuencia durante menos tiempo
- aumentar la capacidad global de la red.
Este modo resulta adecuado cuando el sensor se encuentra cerca de la pasarela y la conexión por radio es buena.
Con un SF elevado, como el SF12
El mensaje permanece más tiempo en el aire. Resulta más fácil de detectar cuando la señal es débil, pero:
- el envío tarda más tiempo
- el sensor consume más
- El canal de radio permanece ocupado durante más tiempo.
Por lo tanto, un SF alto no siempre es mejor. El objetivo es utilizar el SF más bajo que permita mantener una comunicación fiable.
El ADR: el ajuste automático de la red
ADR son las siglas de «Adaptive Data Rate». Esta función permite que la red adapte automáticamente determinados parámetros de radio del sensor. El LNS analiza la calidad de los mensajes recibidos.
Si un sensor utiliza SF12 a pesar de que la recepción es muy buena, la red puede solicitarle que utilice un SF más bajo. El mensaje se enviará más rápidamente y la batería se desgastará menos. Por el contrario, si la conexión es difícil, la red puede optar por parámetros más robustos.
Por lo tanto, el ADR actúa como un sistema de regulación automática que busca el mejor equilibrio entre:
- alcance
- fiabilidad
- consumo
- tiempo de ocupación de la radio.
Esta función resulta especialmente adecuada para los sensores fijos instalados en un edificio.
El ciclo de trabajo: cada uno debe esperar su turno
El ciclo de trabajo limita el tiempo durante el cual un equipo puede emitir. ¿Por qué existe esta norma? Porque las frecuencias de radio son compartidas. Si todos los sensores emitieran de forma continua, la red dejaría de funcionar rápidamente. Por lo tanto, el ciclo de trabajo impone un tiempo máximo de emisión.
Por ejemplo, un ciclo de trabajo del 1 % supone, en términos sencillos, un máximo de 36 segundos de emisión por hora en la subbanda en cuestión.
Esta norma anima a enviar:
- mensajes cortos
- solo los datos relevantes
- con una frecuencia acorde con las necesidades.
Cuanto mayor es el factor de propagación, más tiempo permanece el mensaje en el aire y más rápido agota ese tiempo disponible. Por eso, LoRaWAN no está diseñado para enviar datos de forma continua.
¿Cómo se protegen las comunicaciones LoRaWAN?
Una comunicación por radio puede ser interceptada. Por ello, la seguridad está integrada en el funcionamiento del protocolo LoRaWAN.
Para comprender la activación de un objeto, hay que conocer tres datos fundamentales.
| Información | Función | Comparación sencilla |
|---|---|---|
| DevEUI | Identifica el objeto de forma única | Número de serie |
| JoinEUI o AppEUI | Identifica el servicio de registro | Dirección de la ventanilla |
| AppKey | Clave utilizada para autenticar el objeto | Contraseña confidencial |
El DevEUI
El DevEUI es el identificador único del sensor.
Dos objetos no deben tener el mismo DevEUI. Esto permite a la red saber con exactitud qué equipo está intentando comunicarse.
La AppEUI
El AppEUI indica a qué servicio de activación desea dirigirse el objeto.
Se puede comparar con la dirección de la ventanilla en la que el sensor debe registrarse.
La AppKey
El AppKey es una clave secreta.
Se identifica mediante el objeto y la infraestructura encargada de autentificarla. Nunca debe publicarse ni comunicarse sin protección.
La AppKey puede compararse con la contraseña principal del sensor.
¿Cómo funciona la activación OTAA?
El método de activación más habitual se denomina OTAA, siglas de «Over-the-Air Activation».
Al iniciarse:
- El sensor envía una solicitud de conexión denominada «Join Request»
- La red comprueba que el sensor esté autorizado
- la red devuelve un «Join Accept»
- Se crean claves de sesión
- El sensor puede empezar a transmitir sus datos.
LoRaWAN utiliza el cifrado AES-128 para proteger las comunicaciones.
Los datos relevantes están cifrados y los mensajes están autenticados. Por lo tanto, una persona que interceptara una trama de radio no podría simplemente leer su contenido.
¿Red LoRaWAN privada o red pública? ¿En qué se diferencian?
Hay dos formas principales de implementar una red LoRaWAN.
La red privada LoRaWAN
En una red privada, la empresa implementa y gestiona su propia infraestructura.
Instala:
- sus sensores
- una o varias pasarelas
- su LNS, ya sea local o remoto
- las interfaces con el sistema de gestión de edificios ( BMS la aplicación de negocio.
En un edificio, se puede instalar una pasarela en un armario eléctrico. Esta recibe los datos de los sensores y, a continuación, los transmite a un controlador mediante Modbus o BACnet.
Las principales ventajas son:
- el control de la infraestructura
- el almacenamiento local de datos
- la integración directa con el sistema de gestión de edificios ( BMS)
- la ausencia de una suscripción con un operador por cada sensor, salvo posibles servicios
- una cubierta adaptada específicamente al edificio.
A cambio, el operador debe instalar, configurar y mantener su red.
La red LoRaWAN pública o gestionada
En una red pública, la infraestructura la instala un operador. El usuario puede conectar sus sensores a la red existente, siempre que:
- que la zona esté cubierta
- que los sensores sean compatibles
- contratar los servicios necesarios (suscripciones…)
Los datos suelen enviarse al entorno en la nube del operador y, a continuación, una aplicación de negocio los recupera mediante una API o un conector.
Esta solución resulta interesante cuando los objetos se encuentran repartidos en varias sedes o en una zona geográfica extensa.
| Red privada | Red pública o gestionada |
|---|---|
| Pasarelas instaladas por la empresa | Gateways instaladas por un operador |
| Cobertura gestionada a nivel local | Cobertura en función del operador |
| Datos que se pueden integrar fácilmente en un BMS gestión BMS | Datos a los que normalmente se puede acceder desde una plataforma remota |
| No se requiere suscripción a un operador por cada sensor | Suscripción o servicio que suele ser necesario |
| El mantenimiento corre a cargo del explotador | Infraestructura de radio gestionada por el operador |
En el caso de un edificio un BMS , la red privada suele ser especialmente adecuada. Para instalaciones repartidas por varias ciudades, una red gestionada puede resultar más fácil de utilizar.
¿Por qué LoRaWAN es interoperable?
LoRaWAN es un protocolo abierto definido por la LoRa Alliance. Su interoperabilidad puede compararse con la de Bluetooth. Un smartphone y un altavoz de dos marcas diferentes pueden comunicarse porque cumplen con el mismo estándar.
El principio es similar en LoRaWAN.
Una red puede incluir:
- sensores de diferentes marcas
- varios tipos de medidas
- pasarelas de distintos fabricantes
- diferentes aplicaciones específicas.
Siempre y cuando, por supuesto, los equipos cumplan con las especificaciones de LoRaWAN y utilicen el mismo plan de frecuencias. Esta flexibilidad permite al integrador elegir el producto más adecuado para cada necesidad, sin tener que adquirir todos los equipos de un único fabricante.
Una matización importante: que sea compatible no significa automáticamente que se descodifique.
La pasarela puede recibir la trama de un sensor sin conocer el significado de su contenido.
Imaginemos que un sensor envía el siguiente valor: 00D6
Para saber que este valor corresponde a una temperatura de 21,4 °C, la aplicación debe aplicar las reglas de decodificación facilitadas por el fabricante.
Para integrar completamente un nuevo sensor, es necesario disponer de:
- sus datos de acceso y sus claves
- de su documentación
- de su formato de datos
- de su códec o de su tabla de decodificación.
LoRaWAN ofrece interoperabilidad en cuanto a radio y red. La interpretación de los datos desde el punto de vista empresarial requiere, en ocasiones, una integración adicional.
