El Mundo de LoRa - Meshtastic

Que es LoRa y LoraWAN

LoRa es una tecnología inalámbrica propietaria, fue desarrollada por Cycleo en Francia, Cycleo fue adquirida por Semtech en 2012, LoRa utiliza una modulación de amplio espectro (Spread Spectrum). El uso de este tipo de modulación permite una mejor tolerancia al ruido y de esta forma alcanzar largas distancias con un consumo muy bajo de energía, LoRa es el protocolo a Nivel de capa física (Capa OSI Nivel 1).

LoRaWAN es el protocolo de comunicación a Nivel de red (Capa OSI Nivel 2,3) que va sobre la capa física LoRa, el protocolo de comunicación LoRaWAN es abierto, esto permite que multitud de fabricantes puedan desarrollar dispositivos y de esta forma abaratar los costes de estos.

De forma análoga a una red Ethernet se podría decir que LoRa son los cables que conectan los dispositivos en una red Ethernet y LoraWAN es la comunicación de los dispositivos a nivel de la dirección MAC y de la dirección IP de red de los dispositivos en la red Ethernet.

Ventajas de utilizar LoRaWAN:

* La comunicación entre dispositivos puede llegar a ser de varios kilómetros.

* Muy bajo consumo de energía, permitiendo que los dispositivos puedan durar años utilizando una sola batería.(Considerando el tamaño y capacidad de la misma).

* El coste de los dispositivos LoRaWAN es asequible para cualquier proyecto.

* Es escalable y permite la comunicación de miles de dispositivos a través de uno o varios gateways.

* Curva de aprendizaje rápida.

* Ofrece un nivel alto de seguridad entre los dispositivos de la red, desde los nodos hasta el servidor de aplicaciones.

Elementos en una red LoraWan:

Nodos (End points): Dispositivos finales que envían o reciben información a través de LoRaWAN, estos pueden ser sensores, actuadores, trackers.

Gateways: Es el dispositivo al que se conectan los nodos por LoRaWAN y permite la comunicación de estos con el Network Server.

Network Server: Es el software que controla la red y la lógica de comunicaciones entre los nodos y el Gateway, de esta forma evita el duplicado de paquetes, el acceso de los dispositivos. El Network Server en algunos casos esta embebido en el mismo Gateway y la ventaja de esto es un abaratamiento de la solución total y la desventaja es que limita la escalabilidad.

Application Server: Es el software que tratará los datos que se comunican a través de LoRaWAN, este software es completamente independiente de la red LoRaWAN y dependiendo del Network Server podrá comunicar por ejemplo con MQTT, Modbus TCP, API REST, entre otros.

Clasificación de los dispositivos LoRaWAN (nodos) según su consumo:

Clase A: Son los dispositivos que tienen un máximo ahorro de energía ya que solo envían datos cuando es necesario y después de enviar esta información tiene unos segundos de espera, para recibir datos del Gateway pasando este tiempo pasa nuevamente a modo de reposo, este permite que los dispositivos comuniquen durante años con una única batería

Clase B: Son dispositivos en los que se pueden configurar el tiempo de mensajes de recepción, una vez pasado este tiempo pasa a modo de reposo.

Clase C: Dispositivos que están activos constantemente, esto requiere que estén conectados a la fuente de alimentación.

Que es Meshtastic?

Meshtastic© es un proyecto que permite crear redes de comunicación, malladas y descentralizadas al margen de Internet. Está diseñado para operar via radio bajo el protocolo LoRa, usando dispositivos pequeños y económicos. Es perfecto para hablar con otras personas en lugares donde no hay cobertura de móvil, como en excursiones, campamentos o emergencias. Esta guía te ayudará a empezar de forma sencilla, incluso si no eres una persona técnica.

Características de Meshtastic:

* Red de largo alcance.

* Comunicación descentralizada y encriptada.

* Excelente duración de la batería.

* Envío y recepción de mensajes de texto entre miembros de la malla.

* Funciones de ubicación GPS.

* Frecuencia ISM de uso libre

Al margen de las redes convencionales (Off-Grid).

* Código abierto (Open Source).

* Gratuito.

Cómo funciona Meshtastic?

Meshtastic utiliza LoRa, un protocolo de radio de largo alcance ampliamente accesible en la mayoría de las regiones sin necesidad de licencias o certificaciones adicionales, a diferencia de las operaciones de radioaficionados. Estas radios están diseñadas para retransmitir los mensajes que reciben, formando una red en malla. Esta configuración asegura que todos los miembros del grupo, incluyendo aquellos a mayor distancia, puedan recibir mensajes. Algunos puntos clave:

Alcance: En condiciones ideales (sin obstáculos como edificios o montañas), puedes lograr conexiones de 2 a 30 km. ¡El récord está en 331 km con antenas adecuadas!

Cifrado: Si usas un canal privado, tus mensajes están cifrados para mayor seguridad.

Usos: Meshtastic es ideal para excursionistas, equipos de emergencia o comunidades en áreas sin Internet.

Limitaciones: El alcance depende totalmente de la cantidad de nodos y del terreno (linea de visión directa u obstáculos). Además, es bastante susceptible a la saturación. No se debe considerar como un sistema fiable y robusto sino como un apoyo. Las mallas grandes y saturadas fallan de forma consistente.

¿Para qué puedes usar Meshtastic?

Meshtastic es versátil y puede servir para:

Actividades al aire libre: Mantener contacto con tu grupo en caminatas o campamentos.

Comunidades locales: Crear redes de comunicación privadas en áreas rurales sin Internet.

Emergencias: Reforzar las comunicaciones cuando otras infraestructuras fallen, como en desastres naturales.

Espectro de Frecuencias para LoRa

Espectro de frecuencias sin licencia de la modulación LoRaWAN:

El uso de canales con o sin licencia es uno de los factores más importantes a la hora de diseñar una red inalámbrica privada. La mayoría de las primeras redes de comunicación inalámbrica IoT, como las redes celulares, operan en el espectro con licencia. El uso del espectro bajo licencia requiere un coste adicional de licencia y tiene una flexibilidad limitada sobre el espectro para el usuario. Por lo tanto, la mayoría de los casos de uso de IoT dependen del espectro de frecuencias sin licencia. El espectro sin licencia en el 2,4 bandas GHz y 5 bandas GHz son las que utilizan Wi-Fi y Bluetooth. El alcance de las pasarelas es de solo unos metros, y esas frecuencias están tan congestionadas que causan grandes problemas de fiabilidad. 

Para superar las limitaciones innecesarias debidas a interferencias y ruidos en las bandas de 2,4 GHz y 5 GHz, LoRaWAN utiliza bandas de radiofrecuencia de subgigahercios sin licencia como 169 MHz, 433 MHz, 868 MHz (Europa) y 915 MHz (Norteamérica). Estas bandas de baja frecuencia admiten velocidades de datos bajas, entre 0,3 y 50 kbps. El uso de subgigahercios facilita la conexión de equipos distantes hasta un alcance de 10 km (6 millas). Este uso del espectro de frecuencias de subgigahercios sin licencia permite despliegues LoRaWAN de bajo coste.

¿Por qué diferentes bandas de frecuencia para diferentes regiones? 

Aunque no todas las anchuras de canal son compatibles en todas las regiones, LoRaWAN suele dividirse en anchuras de canal de 125, 250 o 500 kHz en función de las distintas regiones. El principal motivo de esta separación son los requisitos normativos que deben cumplirse en función de la región.

ITU / UIT:

International Telecommunication Union 

Unión Internacional de Telecomunicaciones

Si bien LoRaWAN fue pensado y diseñado para operar en toda la banda de frecuencias no licenciada para aplicaciones industriales, científicas y médicas conocida como ISM, que comprende el rango de 902 MHz a 928 MHz y es definida por la UIT:

¿Qué significa aplicaciones ICM y cómo se utilizan las frecuencias correspondientes?

La expresión "frecuencias no reglamentadas" no se utiliza en los textos de la UIT. Lo que suele darse a entender por la expresión "frecuencias no reglamentadas" son las bandas de frecuencia para aplicaciones industriales, científicas y médicas (ICM). El Cuadro internacional de atribución de bandas de frecuencias que figura en el artículo 5 del Reglamento de Radiocomunicaciones (Volumen 1) especifica ciertas bandas que pueden ponerse a disposición de las aplicaciones ICM (véanse los números 5.138 y 5.150 del RR que se reproducen a continuación): 

5.150 Las bandas: 13 553-13 567 kHz (frecuencia central 13 560 kHz),

26 957-27 283 kHz (frecuencia central 27 120 kHz),

40,66-40,70 MHz (frecuencia central 40,68 MHz),

902-928 MHz en la Región 2 (frecuencia central 915 MHz),

2 400-2 500 MHz (frecuencia central 2 450 MHz),

5 725-5 875 MHz (frecuencia central 5 800 MHz) y

24-24,25 GHz (frecuencia central 24,125 GHz)

están designadas para aplicaciones industriales, científicas y médicas (ICM). Los servicios de radiocomunicación que funcionan en estas bandas deben aceptar la interferencia perjudicial resultante de estas aplicaciones. Los equipos ICM que funcionen en estas bandas estarán sujetos a las disposiciones del número 15.13.

En la Región 2 de la IARU, el uso de bandas y frecuencias para LoRa se rige por el plan de bandas de la IARU y las regulaciones locales de cada país. No hay una frecuencia única designada para LoRa en toda la región, pero se utilizan principalmente las bandas de 915 MHz y 433 MHz, con algunas variaciones según el país.

Plan de Bandas IARU Región 2:

915 MHz:

Esta banda es ampliamente utilizada para LoRaWAN en Estados Unidos, Canadá y otros países de América del Norte, así como en algunas naciones de América Latina. 

433 MHz:

Esta banda también se utiliza en varios países de América Latina y otras partes del mundo para LoRa y otras tecnologías inalámbricas de corto alcance.

(OEA)  Organización de estados Americanos

(CITEL)  Comisión Interamericana de Telecomunicaciones

La CITEL es un organismo de la OEA especializado en telecomunicaciones, formado por 35 países y más de 100 entidades del sector. Su objetivo es promover el desarrollo de telecomunicaciones y TIC accesibles y modernas en las Américas, coordinando normas, armonizando el uso del espectro, capacitando y apoyando a los países en sus estrategias. 

La Comisión Interamericana de Telecomunicaciones (CITEL) es un organismo regional que trabaja en la armonización de las telecomunicaciones en las Américas, incluyendo las bandas de frecuencia para sistemas como LoRa.

Normativa:

Los dispositivos LoRa deben cumplir con la normativa local de cada país en cuanto a frecuencias y potencia de transmisión. 

Bandas de frecuencia LoRa por región:

Europa: 868 MHz

América del Norte: 915 MHz

Asia: 433 MHz

China: 470-510 MHz

Australia: 915-928 MHz

Japón: 920-928 MHz

América Latina: Generalmente utiliza las bandas de 902-928 MHz (América del Norte) y en algunos casos 433 MHz (Asia).