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LPWA




¿Qué es LPWA?

 

LPWA quiere decir área amplia de baja potencia (Low-Power Wide-Area, por sus siglas en inglés). No denota ninguna tecnología en concreto, sino que sirve como un término genérico para referirse a cualquier red diseñada para comunicarse de forma inalámbrica con una potencia más baja que otras redes, como las de telefonía, las comunicaciones por satélite o las redes wifi.

Además, las LPWAN se comunican a mayores distancias que otras redes de baja potencia, como las que usan Bluetooth o NFC, por ejemplo.
LPWA también se denomina LPWAN, donde la N final significa red (network). Al igual que los términos LAN o WAN, LPWA no cuenta con una definición oficial específica.

Por lo general, las comunicaciones de baja potencia a largas distancias solo permiten transmitir pequeñas cantidades de datos. Mientras que las redes de telefonía modernas multiplican el número de gigabits por segundo, como LTE Advanced y las futuras redes 5G, las LPWA transmiten muchos menos datos, a menudo apenas unos kilobits por canal. Dicho lo cual, es de destacar que muchas tecnologías LPWA pueden comunicarse a través de mayores distancias, en ocasiones superiores a 800 kilómetros.

¿Para qué se utilizan las LPWA?

 

El limitadísimo ancho de banda de las redes LPWA no sirve para la mayoría de las aplicaciones comerciales ni para los usuarios, como la transmisión de voz, vídeo, audio o incluso la mensajería de texto. Por ello, las redes LPWA se emplean casi exclusivamente en el ámbito de los dispositivos del internet de las cosas (IoT) y las comunicaciones M2M (máquina a máquina).

A pesar de que los dispositivos conectados en el hogar o la empresa (como neveras, bombillas o termómetros Nest) pueden conectarse fácilmente a una red wifi doméstica o de oficina, algunos de ellos no pueden confiar en dicha conectividad.

Pensemos en el caso de una zanja de irrigación que se extiende muchos kilómetros en el campo agrícola de los Estados Unidos. A lo largo de esta cadena de arroyos y zanjas podemos encontrar cientos de bombas y compuertas, o incluso miles de ellas. Gran parte del canal de riego transcurre a través de kilómetros y kilómetros de terrenos privados, entre campos de cultivo. En este caso, seguir la ruta para asegurarse de que todas las bombas funcionan correctamente, aunque solo sea una vez al día, no es nada práctico, por no mencionar que tiene un valor bastante limitado. Si falla una bomba que se encuentra en el extremo más alejado, podríamos tardar mucho en llegar hasta ella. Si otra falla después de que nosotros pasemos por ella, es posible que no lo sepamos hasta el día siguiente.

Veamos qué alternativas tenemos en estos casos en que ni siquiera contamos con una red local a la que acceder, ya que las redes de telefonía estándar en el medio rural funcionan de forma irregular o, directamente, no existen. Una conexión por satélite sí que podría servirnos, pero son muy costosas y de gran exigencia energética. Para este caso, una red LPWA es exactamente lo que necesitamos.

Con un alcance de cientos de kilómetros, podemos conectar toda la red de bombas de forma fácil y económica. A pesar de que la cantidad de datos transmitidos es limitada, si lo que queremos es conocer el estado de una bomba de agua, necesitaremos sorprendentemente pocos datos para ello. Podemos transmitir un estado general con solo un número: un dígito para indicar el funcionamiento normal, unos cuantos más para describir diversas condiciones de error y una última cifra que podría significar el número de litros bombeados al día. Este sistema permitiría a los agricultores supervisar cada bomba conectada desde una consola central. Si una bomba notifica un error a causa del sobrecalentamiento, y a eso se une una caída en el número de litros bombeados, podríamos estar ante un fallo de la bomba. Este tipo de advertencias tempranas permiten informar al técnico de antemano. Y lo hemos logrado a partir de una transmisión de datos pequeña y periódica.

A pesar de los pocos datos que nos permite transmitir una LPWA, gracias a su requisito de baja potencia, podemos supervisar (y, en algunos casos, incluso administrar) dispositivos ubicados en estaciones meteorológicas en la cima de una montaña, el sistema de luces en un complejo de múltiples hectáreas de invernaderos, los semáforos de una red de carreteras, las señales de cruce de un sistema ferroviario y mucho más.

 

Tecnologías LPWA


Alianza LoRa

La Alianza LoRa es una asociación sin fines de lucro que define e implementa el protocolo LoRaWAN, que significa: red de área amplia de largo alcance y baja potencia. Actualmente, no existe un protocolo estandarizado o dominante para las redes LPWA, y es lo que busca cambiar esta alianza. En la Alianza LoRa podemos encontrar algunos gigantes tecnológicos como Alibaba, Cisco, IBM, Charter Communications y SoftBank.

El protocolo LoRaWAN es un estándar abierto, aunque actualmente solo hay una compañía que fabrique chips que empleen el protocolo. Está diseñada para utilizar una topología de estrella extendida, donde los dispositivos se conectan a puertas de enlace y estas, a su vez, se conectan a través de las típicas redes IP, conectadas de forma normal.

El protocolo define tres tipos de clases:

La clase A utiliza la potencia más baja y debe ser compatible con todos los dispositivos LoRaWAN. Los dispositivos de clase A son asíncronos y la comunicación siempre se origina con el dispositivo final. Tras enviar un enlace de subida, se abre una ventana corta de tiempo durante la cual se pueden enviar las respuestas, creando la posibilidad de disponer de comunicación bidireccional.

Además de las conexiones iniciadas por el punto final, los dispositivos de clase B se sincronizan con señales periódicas o balizas. Dichas sincronizaciones crean ventanas de escucha durante las cuales el dispositivo puede recibir señales o comandos, creando una comunicación bidireccional real.

La clase C está orientada a mantener un receptor abierto en el dispositivo final en todo momento, de modo que se ofrezca un canal de comunicación bidireccional de baja latencia. No obstante, ya que este procedimiento incrementa significativamente el uso de energía, esta clase solo es adecuada cuando disponemos de una fuente de alimentación continua.

Sigfox

Sigfox es una red de LPWA propietaria ofrecida por una compañía francesa. Actualmente, se trata de una de las redes LPWA más grandes del mundo y utiliza una frecuencia sin licencia en las bandas de 868 MHz o 902 MHz. Se caracteriza como una transmisión de radio de banda ultraestrecha y su cobertura abarca largas distancias con una tasa de transferencia de datos baja. Cada mensaje tiene un ancho de 100 Hz, con velocidades de transferencia de 100 o 600 bits por segundo dependiendo de la región. La capacidad de respuesta al dispositivo emisor es limitada, por lo que se trata de una mala elección para aquellas aplicaciones que requieran de una comunicación bidireccional. Cada mensaje de enlace de subida tiene una carga útil máxima de 12 bytes.

 

 

En teoría, se puede comunicar a distancias de hasta 50 kilómetros o más en áreas rurales utilizando una arquitectura de red en estrella, donde cualquier estación base dentro del rango puede recibir cualquier transmisión. A diferencia de los protocolos abiertos, la única forma de obtener y usar Sigfox es a través de la compañía propietaria.

 

 

RPMA

La compañía Ingenu ofrece una tecnología que denomina RPMA (Random Phase Multiple Access, por sus siglas en inglés) con un alcance de 5 a 10 kilómetros sin necesidad de línea de visión. Con este amplio alcance se puede proporcionar cobertura a toda el área de Dallas/Fort Worth con apenas 17 torres de red. Según la compañía, RPMA puede penetrar el hormigón e, incluso, conectarse con dispositivos subterráneos.

Esta tecnología trabaja en el espectro de los 2,4 GHz, por lo que puede ser objeto de interferencias de otros dispositivos que utilizan el mismo espectro, como wifi, Bluetooth o muchos teléfonos fijos inalámbricos antiguos. Sin embargo, la ventaja de emplear el espectro de 2,4 GHz es que se permite su uso en muchos países diferentes, por lo que es un tipo de señal de radio que se puede utilizar en todo el mundo.

Un comunicado de prensa de 2017 habla de una cobertura de 29 países en seis continentes diferentes.

LTE-M

LTE-M es una tecnología de redes telefónicas basada en el 4G. El Proyecto de Asociación de Tercera Generación (3rd Generation Partnership Project o 3GPP) publicó este estándar en la versión 13 de sus especificaciones. Normalmente, los dispositivos de telefonía no son de baja potencia, y esto lo sabe cualquiera que tenga un móvil porque hay que cargarlo muy a menudo. A fin de satisfacer el criterio de “baja potencia” de la especificación LPWA, se han diseñado estos chips inalámbricos 4G con un modo especial de ahorro de energía. En esencia, el chip está apagado la mayor parte del tiempo, y solo se despierta a intervalos predeterminados. Además, los chips son semidúplex, de manera que usan menos energía incluso cuando están encendidos. Por otro lado, son mucho más lentos que una conexión 4G tradicional: la velocidad máxima de los datos es de aproximadamente 100 kbits/s. Esta versión de LPWA ofrece una conectividad de baja potencia, pero está limitada a aquellos lugares que tienen cobertura LTE. Con este tipo de tecnologías de telefonía tenemos la preocupación de saber que los operadores podrían desabastecerlas más rápido de lo que los dispositivos abandonan el campo. Por ejemplo, hoy en día es poco probable que aquellos dispositivos que dependen de una conexión 2G funcionen en casi ningún lugar de los EE. UU. puesto que dichas redes ya se han desactivado y actualizado.

También se echa en falta la presencia de grandes empresas, como IBM, en el grupo de trabajo de LTE-M que desarrolla este estándar. Sin embargo, el grupo de trabajo LTE-M sí que comprende muchos de los operadores de telefonía móvil del mundo, incluidos los cuatro principales operadores estadounidenses (Verizon, AT&T, Sprint y T-Mobile) así como varios fabricantes de chips, como Qualcomm.

NB-IoT

NB-IoT quiere decir “banda estrecha para el internet de las cosas” (Narrowband Internet of Things o Narrowband IoT). NB-IoT también proviene de la versión 13 de la especificación 3GPP y algunas veces se conoce también como CAT M2. A través de una modulación DSSS para sus comunicaciones, NB-IoT ofrece una velocidad de descarga máxima de 250 kbit/s y una velocidad de subida de 250 kbit/s con multitono o 20 kbit/s con monotono. La batería de un dispositivo NB-IoT pueden durar 10 años.

Gracias a que utiliza una nueva capa física con sus propias señales, NB-IoT puede coexistir con equipos que operen en redes 2G, 3G y 4G. China Mobile, China Telecom y Deutsche Telekom, entre otros, son operadores que implementan redes NB-IoT en la actualidad.

Un artículo reciente sugiere que este estándar podría ganar adquirir más relevancia en el futuro, pues Ericsson planea lanzar una red NB-IoT en la India.

EC-GMS-IoT

Fuera de los Estados Unidos, muchas redes de telefonía utilizan el protocolo GSM. El protocolo de cobertura extendida GSM IoT (EC-GSM-IoT) es un complemento de las redes GSM existentes en todo el mundo, de forma similar al caso del protocolo LTE-M, que usa la red LTE existente en versión de baja potencia. Muchos casos de uso pueden alcanzar una vida útil de hasta 10 años de batería.

Puesto que se trata de un protocolo basado en GSM, puede coexistir con las redes 2G, 3G y 4G.

Weightless

Weightless es un estándar abierto que opera en el espectro sin licencia, lo que permite que tanto el operador de telefonía como el proveedor del hardware sean independientes, pero también menos comerciales. Hay tres tipos de Weightless. Weightless-W usa las frecuencias sin licencia entre las bandas de las estaciones de TV. Weightless-N utiliza un protocolo de banda estrecha sin licencia. Weightless-P emplea el rango de banda estrecha de 12,5 kHz y ofrece comunicaciones bidireccionales.

DASH7

DASH7 es una interesante propuesta de Haystack Technologies, diseñada para conectar elementos en movimiento. DASH7 usa la frecuencia de 433 MHz, que permite alcances de entre 200 metros y 2 km, dependiendo de la ubicación y posibles interferencias. A pesar de que la vida útil de la batería de DASH7 se mide en años en la mayoría de casos de uso, la compañía explica que se puede obtener energía incluso de células solares.

Por seguridad, DASH7 admite la ocultación de dispositivos para evitar los escáneres, así como la criptografía AES 128 con cifrado de clave pública.

Más tecnologías

Podemos encontrar más tecnologías de tipo LPWA en diversas etapas de desarrollo o implementación. Es probable que aparezcan muchas otras hasta que surjan algunas propuestas ganadoras o se fusionen las especificaciones en uno o varios estándares. Entre esas otras tecnologías podemos mencionar:

  • GreeOFDM, de GreenWaves Technologies
  • Symphony Link, de Link Labs
  • ThingPark Wireless
  • WAVIOT

 

Seguridad de LPWA

 

 

Los recientes problemas de seguridad de IoT han copado los titulares de muchos medios, como cuando el ataque Mirai tuvo éxito a la hora de obtener acceso a dispositivos finales. Es posible que muchos de los dispositivos de IoT que utilizan LPWA no se vean tan afectados por dichos ataques debido al menor ancho de banda disponible, y el hecho de que los dispositivos conectados no sean lo suficientemente “inteligentes” para ser útiles para un hacker. Sin embargo, los ataques de intermediario (man-in-the-middle) sí son posibles en muchas redes de LPWA. Aunque es cierto que el potencial de abuso es menos espectacular, sigue resultando igual de importante. Existe la posibilidad de espiar a la competencia recibiendo los informes de sus dispositivos y, a diferencia del pirateo tradicional, no habría manera alguna de saber si se han comprometido las comunicaciones, ya que estas señales se transmiten abiertamente.

Un problema es que, a menudo, los dispositivos finales no son capaces de proporcionar su propio cifrado. Una buena forma de solucionar esto sería disponer de un hash compartido, si no fuera por el hecho de que el tamaño de los paquetes de muchas de estas redes es demasiado pequeño para implementar un hash lo bastante largo para mantener dicha seguridad. Por ejemplo, la tecnología LPWA Sigfox ofrece una firma digital de apenas 16 bits, una cifra muy inferior al estándar de la industria, que se sitúa en 128 bits. LoRaWAN, sin embargo, ofrece cifrado y autenticación AES de 128 bits.

Las tecnologías basadas en redes de telefonía, como LTE-M, NB-IOT o EC-GSM-IoT, confían en la autenticación de la red en que se sustentan.

 

IT Security

 

Usos actuales de LPWA

 

A pesar de que las redes LPWA ofrecen múltiples posibilidades, algunos casos de uso están más definidos que otros.

Gestión de aparcamientos

Existen muchas aplicaciones en lo relativo a la gestión de aparcamientos. Partimos de un sensor que nos permita identificar si cada plaza de aparcamiento está ocupada o no. Esa información se puede usar como entrada para numerosas aplicaciones, como letreros que indiquen cuántas plazas de aparcamiento quedan libres en un nivel dado del garaje, o una app móvil que indica dónde se encuentran dichos sitios, e incluso interfaces que notifiquen a las autoridades de que cierto vehículo lleva demasiado tiempo estacionado. Para este uso en concreto es más importante la característica de baja potencia de las redes LPWA que la de largo alcance; a fin de cuentas, nadie quiere asumir el coste de cambiar las baterías de cientos (o incluso miles) de monitores de plazas de aparcamiento.

Medidores de agua y tuberías

Un simple medidor de presión que comunica su lectura puntualmente puede ayudar a detectar una fuga incluso antes de que se informe de ella. Para redes de tuberías que discurran a lo largo de muchos kilómetros, la capacidad de comunicarse a través de largas distancias donde no existe una red es fundamental, y la vida útil de la batería debe medirse en años. En una ciudad, la misma señal que proporciona comunicación de larga distancia en entornos rurales puede proporcionar comunicación subterránea, permitiendo la supervisión de tuberías enterradas debajo de la ciudad.

Palés inteligentes

Para realizar un seguimiento de un envío, generalmente hay que escanear la carga en cada punto en que cambie de manos. Entre estos cambios, simplemente se asume que la carga permanece en el mismo edificio o, cuando se mueve, en el mismo camión o tren. Un palé inteligente puede lanzar una señal de forma continua que nos permita conocer no solo la ubicación del contenedor, sino también si se ha abierto, caído o gestionado incorrectamente. Aquí nos beneficiamos del uso de LPWA tanto para la comunicación a larga distancia, mientras el envío se traslada de un punto a otro, como en lo que respecta a la duración de la batería, puesto que nadie quiere tener que localizar y cambiar las baterías de un palé que se mueve con frecuencia.

Alumbrado público y de infraestructuras

Hay decenas de miles de bombillas encendidas por todas partes, ya sea en las aceras de los barrios, intersecciones concurridas o solitarios tramos de autopista. En la mayoría de los casos, la supervisión sobre tamaña red consiste en que alguien vea una luz apagada y llame a las autoridades pertinentes por teléfono. Sin embargo, con LPWA, las propias luces podrían avisar a un centro de mando si la bombilla funciona y si está encendida, lo que potencialmente permite un mejor uso de la energía y mayor seguridad.

Entre otros fines, podemos considerar medidores inteligentes (domésticos y comerciales), así como aplicaciones en agricultura inteligente y sensores de fábricas y almacenes.

 

Fragmentación de LPWA

 


El sector de las redes LPWA nos ofrece diversas opciones entre las que elegir. Algunos ven esto como una fragmentación problemática, mientras que otros aceptan que se trata de un mercado donde se pueden elegir las ofertas según lo que sea mejor para cada proyecto en particular. En este preciso instante, y a pesar de la creciente demanda de LPWA, no hay una solución única disponible para todos los casos.