¿Cuál es el alcance real de LoRaWAN?
Probablemente han escuchado sobre las palomas mensajeras pero han nunca visto una. Durante muchos años, dominaron los medios de comunicación "inalámbricos".
Las palomas mensajeras se usaban para la comunicación a través de largas distancias, enviando mensajes breves atados en sus patas.
Les sorprenderá saber que en un solo día, la Columba Livia (nombre científico de estas palomas) pueden viajar entre 700 a 1000km a velocidades superiores a los 90 km/h.
Su dominio en las comunicaciones estuvo vigente hasta la invención del telégrafo en el año 1844.
La tecnología vino a quitarles el trabajo.
Unos 170 años hacia el futuro, vengo a hablarles de otra tecnología de comunicación. LoRaWAN, un protocolo que al igual que las palomas mensajeras, transmite pocos datos con un alto alcance (en casos muy particulares sobre los 700km).
Pero mucho hemos hablado antes del gran alcance y llegó el momento de mostrar algunos casos reales.
Pero antes, algo de contexto.
Tres propiedades importantes en redes
- Alcance
- Tasa de transmisión de datos
- Consumo de energía
Cada tecnología busca un balance de estas propiedades según el tipo de problemas que resuelve. Por ejemplo, WiFi puede alcanzar alta tasa de transmisión de datos a un costo de energía grande y un alcance corto.
LoRaWAN, basado en la tecnología LoRa, decide transmitir pocos datos para ganar en alto alcance con un uso muy bajo de energía.
Factores que afectan el alcance de LoRaWAN
Atenuación en espacio abierto
Es de esperar que a medida que más viaja la señal, más se atenúa. Adicional a esta pérdida natural de energía, las reflexiones y refracciones de las ondas sobre objetos puede causar más atenuación
Amortiguación por estructuras
Las señales de radio se van atenuando a medida que traspasan distintos obstáculos. Por ejemplo, la reducción de energía al traspasar vidrio es mucho menor que una pared de concreto de 30cm de ancho.
Visibilidad
En las comunicaciones por radio, el área de radiación se describe mediante zonas de Fresnel, una zona elipsoide entre el transmisor y el receptor.
Todos los objetos en la zona de Fresnel afectan negativamente el nivel de la señal y reducen el alcance de la comunicación.
Es por esto que es importante mantener una línea de visión entre el transmisor y el receptor lo más limpia posible si se quiere cubrir largas distancias.
Casos record registrados con LoRaWAN
Los tres factores anteriores nos ayuda a entender porqué los siguientes records de comunicación se lograron en casos muy particulares. En resumen, casos sin obstáculos y los más limpios entre el transmisor y receptor.
De cualquier forma, son antecedentes sorprendentes del alcance que puede lograrse con LoRaWAN.
Año 2021 record de 832 km
El 16 de abril del 2021, durante la conferencia Virtual The Things, se presentó el experimento en vivo para vencer el record de alcance anterior, 766 kilómetros logrado por la Universidad de Zaragoza.
Durante el evento lanzaron un globo cerca de Utrecht, Países Bajos, que viajó hacia Alemania. Para que las personas pudieran seguir en vivo el viaje del globo, utilizaron TTN Mapper.
El globo viajó unos 200 km por unas 4 horas y 25 minutos antes de estallar y ser recogido por la comunidad de The Things Network Munster.
A 38 km de altitud, justo antes de que el globo cayera, un gateway ubicado en la montaña Radhost en República Checa recibió un paquete LoRaWAN del globo. La distancia fue 832 km, casi la distancia entre Santiago y Valdivia.
Año 2023 record de 1.336 km
El record mundial se mantuvo en los 832 km cerca de un año y medio, hasta que llegó el equipo de investigación del proyecto Custodian para romperlo con 1.336 km. Cerca de la distancia entre Santiago y Quellón, en la isla de Chiloé.
El record de distancia se logró con trackers en el barco de pesca Estrela de Sesimbra y boyas en la costa de Sesimbra en Portugal el 18 de septiembre de 2023.
Es interesante destacar que el proyecto buscaba resolver las limitaciones de comunicación de los sistemas de seguimiento de pesca en boyas y barcazas pequeñas, donde la comunicación satelital no es viable económicamente.
El contexto de este record es importante. La comunicación se alcanzó a nivel del mar, por lo que prácticamente la comunicación es limpia, no hay variables que obstaculicen la comunicación. Esto provee una forma estandarizada y objetiva de medir las capacidades de la tecnología.
Prueba de cobertura LoRaWAN en Concepción
Para un proyecto de monitoreo en la ciudad de Concepción, junto con la empresa Sense4All, nos interesaba generar un mapa de cobertura de LoRaWAN utilizando solo una antena.
No batimos ningún record, pero quedamos contentos con los resultados.
Setup que utilizamos
Gateway industrial Winext GW5000
- Máxima potencia de transmisión 25 dbm
- Sensibilidad de recepción -141 dBm
- Antena omnidireccional de 5dBi
Probador de red LoRaWAN RakWireless RAK10701-P
- Registra geoposición
- Registra intensidad de señal midiendo RSSI y SNR
- Contiene dos antenas antena, una de 2.3 dBi y una de 2.8 dBi
La antena la instalamos en el cerro Chepe, un cerro con una altura de 87 metros y que tiene visión de prácticamente toda la ciudad.
Calidad de señal midiendo RSSI y SNR
Antes de mostrarles los resultados, debo introducir dos nuevos términos necesarios para evaluar la calidad de la conexión de radio.
RSSI es el nivel de señal recibida. Es un valor que mientras más negativo, menor intensidad de señal.
SNR es la relación entre ruido y la señal que contiene información. Sirve de indicador del nivel de ruido ambiente, y mientras más negativo, más ruido tiene la señal.
Para LoRaWAN se considera una buena calidad de señal si:
- RSSI es mayor a -115 dB
- SNR es mayor a -7 dB
Típicamente se considera que el límite de comunicación es un RSSI de -140 dB.
Para darles un par de ejemplos de cómo interpretar estas variables:
- Un RSSI bueno de -115 dB pero con un SNR malo de -13 dB indica que hay comunicación pero el ambiente está muy ruidoso
- Un RSSI bajo de -140 dB pero con SNR bueno de -7 dB indica que el sensor probablemente está muy lejos del gateway
Resultados de la prueba
El siguiente es un mapa que muestra la calidad de la señal en distintos puntos de la ciudad de Concepción.
Verde significa muy buena señal y amarillo baja calidad de señal, pero con comunicación.
En el mapa podemos ver que zonas cercanas al cerro Chepe (abajo cerca del río Biobio) tienen muy buena calidad de señal, y van disminuyendo a medida que se aleja de este.
Los valores de RSSI y SNR se pueden ver en el siguiente gráfico. Todos los puntos medidos tienen un RSSI mayor a -117 dB, y solo 12 puntos tienen un SNR entre -7 y -12.
Con esta prueba mostramos que la antena puede cruzar toda la ciudad de Concepción, logrando un alcance aproximado de 5 km.
¿Cómo puedo aumentar el alcance de LoRaWAN?
Si queremos estrujar la cobertura de la red, tenemos que hacer pequeños ajustes. Algunos son:
Ubicación del gateway
Busca establecer visibilidad entre las antenas receptoras y transmisoras. Sobretodo si tienes antenas outdoor, elevar los transmisores mejorará la línea vista. También recuerda evitar obstáculos cerca de la antena, sujetos a una columna y no al costado de un edificio.
Elección de antena
Las antenas típicas de varilla concentran la energía en un plano horizontal y son omnidireccionales (proporcionan la señal en todas direcciones). Puedes aumentar el alcance si seleccionas antenas de tipo direccional, que concentran la energía en una sola dirección.
Elección de materiales de conexión
Usa conectores y cables de calidad para evitar pérdidas entre la salida del gateway y la antena. Para reducir al máximo las pérdidas por conexión, es importante mantener la distancia entre los gateways y antenas lo más corto posible.
Las palomas mensajeras dejaron su marca en la historia. Hoy LoRaWAN lleva la antorcha de las largas distancias, recordando los épicos vuelos de las palomas, conectando regiones lejanas de manera inalámbrica.
El tiempo dirá si el alcance de esta tecnología puede trascender épocas como lo hicieron las palomas mensajeras.
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