Índice
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Fundamentos de LoRa
2.1 ¿Por qué LoRa?
2.2 ¿Cómo funciona LoRa?
2.3 Spreading Factor
2.3.1 Ancho de banda y velocidad
2.3.2 Link Budget -
LoRaWAN: arquitectura y operación
3.1 ¿Qué es LoRaWAN?
3.2 Arquitectura de red típica LoRaWAN
3.3 Frecuencias LoRaWAN
3.4 Clases de dispositivos -
Caso práctico: LoRa en Izertis
4.1 Retos técnicos del proyecto
1. Introducción
No hay duda de que vivimos en un mundo cada vez más conectado. Estamos constantemente rodeados de objetos que se comunican entre sí, incluso aunque a veces no seamos conscientes de ello: nuestro móvil habla continuamente con la red, el termostato decide cuándo encender la calefacción, las luces se ajustan solas o un aspersor comienza a regar la cosecha a cientos (¡o miles!) de kilómetros de distancia. La conectividad ya no es algo exclusivo de ordenadores u otros equipos grandes y complejos.
Para hacer esto posible, existen infinidad de tecnologías de comunicación. Algunas de ellas utilizan cables (como un ordenador conectado por Ethernet o los diferentes subsistemas de un vehículo a través de un bus CAN), mientras que otras lo hacen de forma inalámbrica. En este último grupo, la tecnología a elegir dependerá en gran medida del caso de uso y del problema a resolver: por ejemplo, si necesitamos monitorizar y accionar un sistema de riego en mitad del campo, no sería adecuado utilizar WiFi por su corto alcance y elevado consumo energético; o si nuestra aplicación requiere realizar streaming constante de vídeo en alta definición, descartaremos automáticamente Bluetooth por quedarse corto en cuanto a ancho de banda.
2. Fundamentos de LoRa
En esta sección analizaremos los principios técnicos sobre los que se construye la tecnología LoRa, que permiten su posicionamiento como una tecnología de largo alcance y bajo consumo: su modulación basada en Chirp Spread Spectrum (CSS), el papel del Spreading Factor, la influencia del ancho de banda y el impacto del link budget en el diseño de enlaces radio.
Entender estos conceptos es esencial para dimensionar correctamente una solución IoT y tomar decisiones técnicas fundamentadas en función del entorno y del caso de uso.
2.1 ¿Por qué LoRA?
LoRa (acrónimo de Long Range) nace para cubrir el nicho de las tecnologías de radio de bajo consumo y largo alcance:
- Largo alcance: entre 1 y 2 km en entorno urbano y entre 10 y 15 km en entorno rural (¡con las antenas adecuadas, incluso se puede llegar a establecer comunicación con satélites en órbita baja LEO!).
- Sin necesidad de suscripción ni infraestructura propia, a diferencia de redes celulares como NB-IoT o LTE-M, que requieren tarjetas SIM y una estación base.
- Bajo consumo energético durante la transmisión, típicamente entre 200 y 300 mW. Como referencia, las tecnologías celulares para IoT como NB-IoT o LTE-M consumen en torno a 1 W.
- Velocidad de transmisión reducida: para lograr estas ventajas, la tasa de datos es considerablemente más baja que en otras tecnologías IoT (inferior a 10 kbps).
LoRa se encuadra dentro de las denominadas LPWAN (Low Power Wide Area Network, redes de área amplia y baja potencia). Todas ellas se caracterizan por ofrecer un gran alcance, baja velocidad de transmisión y un consumo energético reducido, en comparación con tecnologías más tradicionales como WiFi, Bluetooth o las redes celulares 3G, LTE y 5G.
2.2. ¿Cómo funciona LoRa?
LoRa opera principalmente en las bandas de frecuencia ISM (Industrial, Scientific and Medical) de 433 MHz, 868 MHz y 915 MHz, que no requieren licencia de uso, aunque también existen transceptores que funcionan en la banda de 2,4 GHz. Por lo general (esto es aplicable a cualquier tecnología de comunicaciones por radio), cuanto más baja es la frecuencia, mayor alcance se obtiene, gracias a una mayor capacidad de penetración y una menor atenuación de la señal. Como contrapartida, las antenas (y, por tanto, los dispositivos) suelen ser más grandes y la velocidad de transmisión es menor.
El principio que permite a LoRa combinar largo alcance y bajo consumo energético es su esquema de modulación, denominado Chirp Spread Spectrum (CSS). En lugar de modular la amplitud, la frecuencia o la fase de la señal, como ocurre en técnicas clásicas como ASK, FSK o PSK, CSS se basa en el uso de chirps. Un chirp no es más que un barrido rápido de frecuencia, especialmente robusto frente al ruido y a las interferencias.
2.3. Spreading Factor
Las “palabras” en LoRa (conjuntos de bits) se denominan símbolos, y se construyen a partir de diferentes chirps.
La duración de estos símbolos viene determinada por el Spreading Factor (SF), un parámetro de diseño que, por lo general, puede configurarse libremente.
- Incrementar el Spreading Factor implica que cada símbolo tarda más tiempo en transmitirse, lo que reduce la velocidad de transmisión. Como referencia, aumentar el SF en una unidad duplica el tiempo de transmisión de un símbolo.
- Al prolongarse las transmisiones, la radio permanece activa durante más tiempo, lo que conlleva un mayor consumo energético.
- Las transmisiones más largas permiten que cada símbolo represente un mayor número de valores, ya que en un intervalo de tiempo mayor es más sencillo distinguir diferentes chirps: en un símbolo pueden representarse 2SF valores.
- Incrementar el SF también mejora la resistencia al ruido y facilita la decodificación en el receptor, lo que se traduce en un mayor alcance.
Utilizando un SF u otro, es posible ajustar el triángulo alcance / velocidad / consumo en función del caso de uso. En la práctica, LoRa emplea habitualmente valores de SF entre 7 y 12. No obstante, actualmente se está experimentando con SF más bajos para aplicaciones de corto alcance que requieren mayor ancho de banda (como dispositivos de hogar conectado), planteándose como una alternativa a tecnologías como Bluetooth o Zigbee.
2.3.1 Ancho de banda y velocidad
Como ya se ha mencionado, los chirps son variaciones de frecuencia entre dos valores, f1 y f2. El ancho de banda no es más que la diferencia entre estas dos frecuencias, siendo los valores más comunes en LoRa 125 kHz, 250 kHz y 500 kHz.
A mayor ancho de banda, se obtiene una mayor velocidad de transmisión; sin embargo, el alcance se reduce, ya que en un ancho de banda mayor también “cabe” más ruido, lo que perjudica la relación señal a ruido (SNR).
La velocidad de símbolo, medida en símbolos por segundo, se calcula como:
\( R_s = \frac{BW}{2^{SF}} \)
Teniendo en cuenta que cada símbolo representa SF bits, el bitrate teórico viene dado por:
\( R_b = SF \cdot R_s \)
En la práctica, LoRa añade bits de redundancia para corrección de errores, lo que se denomina Code Rate (CR). Esto reduce el bitrate efectivo, que queda expresado como:
\( R_{b,\text{efectivo}} = SF \cdot \left(\frac{BW}{2^{SF}}\right) \cdot \left(\frac{4}{4 + CR}\right) \)
donde el CR suele tener valores entre 1 y 4.
A continuación se muestran algunos ejemplos ilustrativos de combinaciones habituales de Spreading Factor y ancho de banda, que permiten visualizar el compromiso existente entre velocidad de transmisión, alcance y robustez de la comunicación.
\( SF_{7}, BW = 125 kHz, CR = 1 -> R_{b} = 7 \cdot \left(\frac{125k}{2^{7}}\right) \cdot \left(\frac{4}{4 + 1}\right) = 5,5 kbps \)
\( SF_{7}, BW = 500 kHz, CR = 1 -> R_{b} = 7 \cdot \left(\frac{500k}{2^{7}}\right) \cdot \left(\frac{4}{4 + 1}\right) = 21,9 kbps\)
\( SF_{9}, BW = 125 kHz, CR = 1 -> R_{b} = 9 \cdot \left(\frac{125k}{2^{9}}\right) \cdot \left(\frac{4}{4 + 1}\right) = 1,76 kbps\)
\( SF_{12}, BW = 125 kHz, CR = 1 -> R_{b} = 12 \cdot \left(\frac{125k}{2^{12}}\right) \cdot \left(\frac{4}{4 + 1}\right) = 0,29 kbps \)
2.3.2 Link Budget
Para que una señal de radio se reciba correctamente, el nivel de potencia con el que llega al receptor debe ser superior a la sensibilidad de este.
La potencia recibida se obtiene a partir de la potencia transmitida, restando las pérdidas que sufre la señal durante su propagación (cables, conectores, aire, atenuadores, etc.) y sumando las ganancias (antenas, amplificadores, etc.). El concepto de link budget puede entenderse como “lo que nos podemos permitir perder” para que la señal siga siendo decodificable; es decir, el margen disponible entre la potencia transmitida y su sensibilidad (el umbral mínimo que el receptor es capaz de detectar).
Considerando la expresión general del balance de potencia de un enlace radio:
\( P_{rx} = P_{tx} + G_{tx} + G_{rx} – L_{tx} – L_{prop} – L_{rx} \)
donde:
- Prx: potencia recibida (dBm).
- Ptx: potencia transmitida (dBm).
- Gtx: ganancia de la antena transmisora (dBi).
- Grx: ganancia de la antena receptora (dBi).
- Ltx: pérdidas en el lado transmisor (cables, conectores, etc.).
- Lprop: pérdidas de propagación en el medio (espacio libre, obstáculos, etc.).
- Lrx: pérdidas en el lado receptor (cables, conectores, etc.).
Esta potencia recibida Prx debe estar por encima de la sensibilidad del receptor Srx. Por lo tanto, el link budget se puede calcular:
\( LB_{max} = P_{tx} – S_{rx} \)
La siguiente figura ilustra un ejemplo de cómo se encadenan ganancias y pérdidas a lo largo de un enlace radio, y cómo ese balance determina la potencia recibida y el margen respecto a la sensibilidad del receptor:
A modo de ejemplo, si disponemos de un transmisor que emite a +20 dBm y un receptor con una sensibilidad de –137 dBm (valor típico en LoRa con SF12), el link budget máximo disponible será:
\( LB_{max} = P_{tx} – S_{rx} = 20 – (-137) = 157\,\text{dB} \)
Lo que caracteriza a LoRa frente a otras tecnologías de radio es su sensibilidad extremadamente baja, conseguida gracias a la modulación Chirp Spread Spectrum (CSS). Como referencia, WiFi suele situarse en torno a –80 dBm, mientras que Bluetooth LE y NB-IoT rondan los –100 dBm, frente a los –137 dBm que puede alcanzar LoRa en SF12.
Esta mayor sensibilidad se traduce en link budgets significativamente superiores, lo que permite alcanzar mayores distancias con el mismo nivel de potencia transmitida.
3. LoRaWAN: arquitectura y operación
Aunque a menudo se mencionan conjuntamente, LoRa y LoRaWAN no son lo mismo y conviene diferenciarlos claramente.
LoRa define únicamente la capa física de la comunicación: la modulación (Chirp Spread Spectrum), las frecuencias utilizadas y la forma en que se codifican los símbolos.
Por su parte, LoRaWAN añade las capas superiores del modelo de comunicación, proporcionando reglas de red, seguridad, gestión de dispositivos y transporte de datos. En cierto modo, si LoRa fuese el equivalente a Ethernet en el mundo cableado, LoRaWAN sería el equivalente al stack TCP/IP completo.
Comprender esta diferencia es fundamental para entender cómo se construyen redes IoT completas sobre la base radio que proporciona LoRa.
3.1 ¿Qué es LoRaWAN?
Una vez comprendidos los fundamentos físicos de LoRa, el siguiente paso es entender cómo esa capacidad de comunicación radio se organiza en una red funcional. Ahí es donde entra en juego LoRaWAN.
LoRaWAN es un protocolo de red diseñado específicamente para gestionar comunicaciones de largo alcance y bajo consumo basadas en LoRa. Define las reglas que permiten que miles de dispositivos distribuidos geográficamente puedan transmitir datos de forma coordinada, segura y escalable.
Mientras que LoRa se ocupa de cómo se modula y transmite la señal en el aire, LoRaWAN se encarga de aspectos como:
- La autenticación y activación de dispositivos.
- El cifrado extremo a extremo de los datos.
- La gestión de direcciones y sesiones.
- El control de tráfico uplink y downlink.
- La adaptación dinámica de parámetros de transmisión (ADR).
En esencia, LoRaWAN convierte una tecnología de comunicación radio en una infraestructura de red completa, preparada para integrarse con plataformas en la nube, sistemas corporativos y aplicaciones IoT.
Su diseño está optimizado para dispositivos que transmiten pequeñas cantidades de datos de manera periódica o event-driven, priorizando la eficiencia energética y la cobertura frente al ancho de banda o la latencia constante.
3.2 Arquitectura de red típica LoRaWAN
Una arquitectura típica LoRaWAN está compuesta por los siguientes elementos:
- Nodos (End Devices): dispositivos finales que integran una radio LoRa. Pueden ser sensores (temperatura, humedad, localización, etc.) o actuadores (válvulas, relés, motores, etc.).
- Gateways: actúan como concentradores o pasarelas. Reciben las transmisiones LoRa de múltiples nodos y las envían hacia Internet mediante IP.
- Servidor de red (Network Server): es el núcleo lógico de la red LoRaWAN. Gestiona la autenticación de dispositivos, el enrutamiento de mensajes, el control de duplicados y la adaptación de parámetros.
- Servidor de aplicación (Application Server): interpreta y procesa los datos recibidos, implementando la lógica de negocio.
- Clientes finales: aplicaciones web, móviles o sistemas corporativos que consumen la información.
Una característica clave de LoRaWAN es que los gateways no están asociados a un único dispositivo, sino que actúan como repetidores transparentes. Un mismo mensaje puede ser recibido por varios gateways simultáneamente, siendo el servidor de red quien decide cuál utilizar, lo que incrementa la robustez del sistema.
Además, LoRaWAN implementa mecanismos de:
- Seguridad extremo a extremo, mediante cifrado AES.
- Adaptación dinámica de velocidad (ADR, Adaptive Data Rate).
- Gestión eficiente del consumo energético, especialmente en dispositivos alimentados por batería.
Gracias a esta arquitectura, LoRaWAN permite conectar dispositivos distribuidos en grandes áreas geográficas con un coste de infraestructura reducido y alta escalabilidad.
3.3 Frecuencias LoRaWAN
Aunque LoRa puede operar en distintas bandas ISM (433 MHz, 868 MHz, 915 MHz o incluso 2,4 GHz), en LoRaWAN no todas las combinaciones de frecuencia, ancho de banda y Spreading Factor están permitidas. Esto se debe a las regulaciones del espectro radioeléctrico, que varían según la región o el país.
Estas restricciones dan lugar a los llamados planes de frecuencia regionales, que definen:
- Las bandas de frecuencia permitidas.
- El número y la distribución de canales.
- Los anchos de banda disponibles.
- Las limitaciones de potencia.
- El duty cycle o tiempo máximo de transmisión permitido.
Algunos de los planes de frecuencia más habituales son:
| Región | Plan | Banda principal | Parámetros habituales |
|---|---|---|---|
| Europa | EU868 | 868 MHz | SF7–SF12, 125 kHz / 250 kHz |
| Estados Unidos | US915 | 915 MHz | SF7–SF12, 125 kHz / 500 kHz |
| China | CN470 | 470 MHz | SF7–SF12, 125 kHz |
| Asia-Pacífico | AS923 | 923 MHz | SF7–SF12, 125 kHz / 250 kHz |
En cada plan regional, las bandas se dividen en múltiples canales, que pueden diferenciarse según el sentido de la transmisión:
- Uplink: transmisión desde el nodo hacia la red.
- Downlink: transmisión desde la red hacia el nodo.
Como ejemplo práctico, el plan europeo EU868 define una serie de canales de uplink distribuidos dentro de la banda de 868 MHz. Estos canales suelen utilizar un ancho de banda de 125 kHz, aunque algunos permiten 250 kHz.
Estas configuraciones garantizan el cumplimiento normativo y aseguran la coexistencia con otras tecnologías que operan en las mismas bandas ISM.
Por tanto, al diseñar un dispositivo LoRaWAN, es fundamental tener en cuenta la región en la que va a desplegarse, ya que tanto el firmware como la configuración de radio deben adaptarse al plan de frecuencia correspondiente.
3.4. Clases de dispositivos
LoRaWAN define tres clases de dispositivos finales, que establecen distintos compromisos entre consumo energético y latencia en la recepción de mensajes downlink. Estas clases permiten adaptar el comportamiento del dispositivo al caso de uso concreto.
Clase A (obligatoria)
Todos los dispositivos LoRaWAN deben implementar, como mínimo, la Clase A.
En esta clase, el dispositivo:
- Transmite un mensaje (uplink).
- Abre dos ventanas de recepción (RX1 y RX2) en instantes predefinidos tras la transmisión. Estas ventanas se configuran en canales diferentes, para dar al dispositivo más oportunidades de recibir el mensaje.
- Permanece en reposo el resto del tiempo.
Esto implica que:
- El consumo energético es mínimo, ya que la radio está apagada la mayor parte del tiempo.
- La latencia en downlink es elevada, puesto que el servidor solo puede responder tras una transmisión del nodo.
La Clase A es ideal para sensores alimentados por batería que transmiten datos periódicamente y no requieren respuesta inmediata.
Clase B
La Clase B añade ventanas de recepción programadas adicionales llamadas ping slots.
Además de las ventanas RX1 y RX2 tras cada transmisión, el dispositivo:
- Recibe señales de sincronización (beacons) enviadas por el gateway, para que los dispositivos y la red tengan la misma referencia temporal.
- Abre ventanas de recepción periódicas en momentos predefinidos. Gracias a la sincronización, los gateways saben cuándo están abiertas estas ventanas para enviar mensajes a los dispositivos.
Esto implica:
- La latencia en downlink se reduce, puesto que no es necesario esperar a que el dispositivo envíe.
- Se aumenta el consumo energético, dado que hay que encender la radio periódicamente.
La Clase B es adecuada para aplicaciones que requieren comunicaciones más predecibles, como sistemas de iluminación o control periódico.
Clase C
La Clase C mantiene la ventana de recepción abierta prácticamente de forma continua, excepto cuando el dispositivo está transmitiendo.
Esto implica:
- Latencia mínima en downlink, dado que los dispositivos pueden recibir mensajes en todo momento.
- Mayor consumo energético, porque la radio está encendida constantemente.
Por ello, la Clase C se utiliza principalmente en dispositivos que disponen de alimentación continua, como equipos industriales o actuadores conectados a la red eléctrica donde el consumo de energía sea poco importante.
En resumen, las clases LoRaWAN permiten ajustar el equilibrio entre:
- Consumo energético
- Latencia
- Capacidad de respuesta
Implementar la clase adecuada para nuestros dispositivos es una decisión clave en el diseño de soluciones IoT basadas en LoRaWAN.
4. Caso práctico: LoRa en Izertis
Como expertos en tecnología y soluciones conectadas, en Izertis hemos participado en múltiples proyectos que emplean LoRaWAN como tecnología de comunicación.
Uno de los casos más representativos es una solución premium de monitorización remota de ganado, específicamente diseñada para entornos rurales donde la comunicación celular tradicional puede presentar limitaciones de cobertura o consumo energético.
En este proyecto, Izertis se encargó del diseño completo del sistema, incluyendo tanto el hardware como el firmware del dispositivo instalado en los animales. El dispositivo incorpora:
- Un transceptor LoRa de Semtech, optimizado para bajo consumo.
- Un microcontrolador de Nordic Semiconductor, que habilita además comunicaciones de corto alcance en 2,4 GHz.
- Un receptor GNSS de alto rendimiento y bajo consumo de u-blox, para localización precisa.
- Un sensor inercial, destinado a la detección de patrones de movimiento.
- Firmware desarrollado íntegramente sobre Zephyr, un sistema operativo en tiempo real (RTOS) orientado a sistemas embebidos de recursos limitados.
4.1. Retos técnicos del proyecto
El desarrollo de esta solución implicó superar varios desafíos técnicos relevantes:
- Ultra bajo consumo energético, ya que los dispositivos se encuentran en ubicaciones remotas y deben operar durante más de un año con una sola batería.
- Alcance superior a 5 km, con el objetivo de minimizar el número de gateways necesarios, lo que resulta especialmente exigente debido al tamaño reducido del dispositivo y al uso de antenas pasivas.
- Coexistencia RF, dado que el dispositivo integra radio LoRa, GNSS y comunicación de corto alcance, lo que obliga a gestionar posibles interferencias y fenómenos de crosstalk.
- Compatibilidad multirregión, ya que la solución debía operar tanto en Europa como en Latinoamérica con un único SKU, lo que implica adaptaciones a distintos planes de frecuencia.
- Optimización de costes, al tratarse de un dispositivo masivo destinado a un sector tradicional, donde la barrera de entrada debe mantenerse baja.
Este tipo de proyectos demuestra cómo LoRaWAN permite desplegar soluciones IoT robustas, escalables y eficientes en entornos exigentes, donde otras tecnologías de comunicación no resultarían viables.
Desde el diseño electrónico hasta el firmware y la integración con plataformas de aplicación, LoRaWAN se consolida como una tecnología clave para soluciones conectadas de largo alcance y bajo consumo.
5. Para terminar
LoRa, y por extensión LoRaWAN, se han consolidado como tecnologías fundamentales dentro del ecosistema IoT cuando el desafío consiste en comunicar dispositivos a larga distancia con un consumo energético reducido y una infraestructura mínima.
A lo largo del artículo hemos visto cómo parámetros como el Spreading Factor, el ancho de banda o el link budget influyen directamente en el equilibrio entre alcance, velocidad y consumo. Comprender estos conceptos no es únicamente una cuestión teórica: es lo que permite diseñar soluciones eficientes, robustas y adaptadas a cada caso de uso.
Frente a tecnologías orientadas a alto ancho de banda o baja latencia continua, LoRaWAN destaca por su capacidad para cubrir grandes áreas geográficas con dispositivos alimentados por batería durante largos periodos de tiempo. Esta combinación la convierte en una opción especialmente adecuada para entornos rurales, industriales o infraestructuras distribuidas.
En definitiva, LoRaWAN no es la solución universal para todos los escenarios de conectividad, pero sí una herramienta extremadamente potente cuando el objetivo es maximizar el alcance y la eficiencia energética. Su correcta aplicación depende de un diseño cuidadoso y del entendimiento profundo de sus parámetros técnicos, algo esencial para desarrollar soluciones IoT realmente optimizadas.
