LoRa y redes de largo alcance

01 · Punto de partida

Llegar lejos transmitiendo poco

En el tema 13 ubicamos a LoRa como la red de los sensores remotos: kilómetros de alcance, años de batería y mensajes de pocas decenas de bytes. Los dos temas anteriores mostraron lo opuesto: Wi-Fi, con mucha velocidad y mucho gasto, y Bluetooth LE, con poco alcance. LoRa ocupa el extremo contrario del triángulo de alcance, velocidad y energía: sacrifica casi toda la velocidad para ganar distancia.

La idea física es simple. Un receptor capta una señal si ésta sobresale del ruido. Para que sobresalga a más distancia, hay que concentrar más energía de la señal en cada bit, y eso se logra emitiendo más despacio: un bit que dura mucho tiempo acumula más energía que uno corto. LoRa lleva esa idea al extremo, con velocidades de decenas de bits por segundo, y lo compensa con una modulación muy robusta que funciona incluso con señales más débiles que el ruido de fondo.

Los valores numéricos son para la región europea (868 MHz) con 125 kHz de ancho de banda. Otras regiones usan otras bandas y límites; verificá el plan de frecuencias de tu país.

02 · La modulación

Cómo funciona LoRa

LoRa (por long range) es una técnica de modulación de radio propietaria de Semtech, de la familia del «espectro ensanchado». En lugar de usar una frecuencia fija para cada bit, transmite barridos de frecuencia (chirps): una señal cuya frecuencia sube de forma continua a lo largo de un símbolo. El dato se codifica en el punto de partida del barrido. El receptor correlaciona la señal con un barrido de referencia y puede detectarlo muy por debajo del nivel del ruido.

Cuatro parámetros configuran el enlace:

• Factor de ensanchamiento (spreading factor, SF): de 7 a 12. Cada incremento duplica la duración de un símbolo. Es el parámetro central: más alto, más alcance y más lento.
• Ancho de banda (BW): 125, 250 o 500 kHz. Más ancho, más rápido y menos sensible. En LoRaWAN europeo se usa sobre todo 125 kHz.
• Tasa de código (CR): de 4/5 a 4/8. Agrega bits de corrección de errores: más protección, más tiempo de aire.
• Potencia de transmisión: típicamente hasta 14 dBm (25 mW) en Europa. Más potencia da más alcance a costa de corriente y de los límites legales.

La tabla resume el compromiso. De SF7 a SF12 se ganan 14 dB de presupuesto de enlace, pero el mensaje tarda 25 veces más en el aire (de 72 ms a 1,8 s) y la velocidad cae a 88 bit/s. En espacio libre, cada 6 dB duplican la distancia, de modo que 14 dB equivalen a unas cinco veces el alcance. Y como si fuera poco, a mayor SF, menor carga máxima por paquete.

03 · El límite de fondo

Tiempo de aire y ciclo de trabajo

El tiempo de aire es lo que dura la transmisión de un mensaje. Es la magnitud central del diseño con LoRa, porque de ella dependen tres cosas a la vez: la energía que gasta el dispositivo, cuántos mensajes puede enviar por la regulación, y cuántos dispositivos pueden coexistir en la misma red sin pisarse.

El tiempo de aire se calcula con una fórmula publicada por el fabricante del chip. Su estructura es sencilla: la duración de un símbolo es T_s = 2^SF / BW; el mensaje consta de un preámbulo de unos 12,25 símbolos más los símbolos de la cabecera y la carga, que dependen del tamaño y del SF. En el código de este tema la implementamos completa. Como referencia, un mensaje de 20 bytes de aplicación necesita 71,9 ms en SF7 y 1810,4 ms en SF12.

La regulación de varias regiones limita cuánto tiempo puede transmitir un dispositivo. En las bandas de 868 MHz de uso libre de Europa, muchas subbandas imponen un ciclo de trabajo del 1 %: como máximo 36 segundos de transmisión por hora. Con eso, el número máximo de mensajes por hora depende del SF y del tamaño:

Con 20 bytes: unos 500 mensajes por hora en SF7, 146 en SF9 y apenas 20 en SF12. Dicho al revés: un sensor que usa SF12 y envía cada 5 minutos (12 por hora) ocupa el 0,6 % del tiempo, dentro del límite; si quisiera enviar cada minuto (60 por hora) usaría el 3 % y lo incumpliría.

Además de la regulación, las redes públicas o comunitarias de LoRaWAN suelen fijar políticas de uso justo: un máximo de tiempo de aire por dispositivo y por día (del orden de decenas de segundos) para que ningún equipo monopolice la capacidad. Con un límite de 30 segundos por día, un sensor en SF12 con 20 bytes podría enviar 16 mensajes diarios; en SF7, unos 417. El SF no solo decide el alcance: decide cuántos mensajes se pueden enviar.

04 · La red

LoRaWAN: gateways, servidor y clases

LoRa es la capa de radio. LoRaWAN es el protocolo de red que se construye encima y define cómo se organizan los equipos. Su arquitectura tiene forma de estrella de estrellas:

Una diferencia clave con Wi-Fi o Bluetooth: el dispositivo no está conectado a ningún gateway en particular. Transmite hacia el aire y cualquier gateway que lo reciba lo reenvía al servidor de red, que descarta los duplicados. Eso hace la cobertura más robusta, y permite mover equipos sin reconfigurar nada. El servidor de red autentica los mensajes, gestiona las claves y decide, mediante el control adaptativo de velocidad (ADR), el SF y la potencia más económicos que cada equipo puede usar: acerca el equipo al SF más bajo con el que todavía lo oyen bien.

Los dispositivos LoRaWAN pertenecen a una de tres clases, que equilibran consumo y capacidad de recibir órdenes:

La consecuencia práctica para el diseño: en la clase A, un comando solo puede llegar justo después de que el dispositivo envíe. Si el sensor reporta cada hora, una orden para el sensor espera hasta una hora. LoRaWAN está pensado para telemetría ascendente, no para control en tiempo real. Los mensajes hacia abajo, además, también cuentan en el tiempo de aire del gateway, que está limitado.

La seguridad de LoRaWAN usa criptografía AES de 128 bits con dos claves: una para autenticar los mensajes hacia la red y otra para cifrar la carga de la aplicación, de modo que ni siquiera el operador de la red ve los datos. Un contador de tramas impide repetir mensajes viejos. Los dispositivos se activan en la red preferentemente con OTAA (activación por aire), que negocia claves nuevas en cada unión, y no con claves fijas grabadas (ABP).

05 · Distancias

El alcance real

El presupuesto de enlace es la pérdida máxima que puede sufrir la señal entre el transmisor y el receptor sin dejar de ser detectada. Se calcula como la potencia transmitida menos la sensibilidad del receptor, más las ganancias de las antenas, menos las pérdidas de cables y conectores: con 14 dBm y −137 dBm de sensibilidad (SF12), 151 dB. Esa cifra se gasta en la distancia, los obstáculos y el margen de seguridad.

Las distancias que se publican (10, 15, 20 kilómetros) son de línea de vista, con antenas altas y sin obstáculos. En la práctica:

• Zona rural abierta: varios kilómetros a más de diez, especialmente con el gateway en un punto elevado.
• Zona urbana: de uno a pocos kilómetros, porque los edificios bloquean y reflejan la señal.
• Interiores y sótanos: la señal pierde decenas de decibeles al atravesar paredes y suelos; un sensor en un subsuelo puede alcanzar sólo una fracción de la distancia que tendría al aire libre.

Las mejoras más baratas están en la antena y la altura: un gateway en una torre alcanza lo que uno en la planta baja nunca logra. Y una advertencia: el alcance se verifica con una prueba de campo, no con la hoja de datos. Un buen procedimiento es llevar un dispositivo de prueba por el área prevista, registrar la intensidad de señal y el SF que la red le asigna, y dejar un margen de 10 dB o más para el clima y los cambios del entorno.

06 · Decisión

Cuándo sí y cuándo no

Y existen otras tecnologías de largo alcance y bajo consumo (LPWAN) que ocupan nichos parecidos: las variantes celulares de bajo consumo (NB-IoT, LTE-M, del tema 13) y otras redes propietarias de baja velocidad. LoRa destaca porque se puede montar una red propia sin operador, con gateways de bajo costo, y porque el ecosistema de chips, módulos y redes comunitarias es amplio.

También se usa LoRa en modo «puro», sin LoRaWAN: dos módulos que se hablan punto a punto, útiles para enlaces simples y privados. Se gana libertad (sin servidor de red, sin límites de uso justo) y se pierde seguridad y gestión integradas, que hay que construir.

07 · Analogía con programación

Calcular el tiempo de aire en Python

La función tiempo_de_aire_s implementa la fórmula del fabricante para 125 kHz, tasa de código 4/5, con CRC, cabecera explícita y la optimización para velocidades bajas en SF11 y SF12. Se le suman 13 bytes de cabecera de LoRaWAN a la carga de la aplicación. Con ella, evaluar calcula el ciclo de trabajo, los mensajes máximos por hora al 1 %, la velocidad útil, el presupuesto de enlace con 14 dBm y la autonomía de una batería de 2000 mAh con 40 mA durante la transmisión.

import math

BW_HZ = 125_000          # ancho de banda
CABECERA_LORAWAN = 13    # bytes que LoRaWAN agrega a la carga útil de la aplicación
CORRIENTE_TX_MA = 40     # corriente al transmitir a 14 dBm
BATERIA_MAH = 2000
SUENO_MAH_DIA = 0.24
CICLO_MAX = 0.01         # 1 % del tiempo, límite de ciertas bandas
POTENCIA_DBM = 14
# sensibilidad típica del receptor (dBm) y carga máxima de la aplicación (bytes) en la región europea
SENSIBILIDAD = {7: -123, 8: -126, 9: -129, 10: -132, 11: -134.5, 12: -137}
CARGA_MAX = {7: 222, 8: 222, 9: 115, 10: 51, 11: 51, 12: 51}


def tiempo_de_aire_s(sf, carga_app):
    pl = carga_app + CABECERA_LORAWAN
    t_sim = 2 ** sf / BW_HZ
    de = 1 if sf >= 11 else 0                      # optimización para velocidades muy bajas
    simbolos = 8 + max(math.ceil((8 * pl - 4 * sf + 28 + 16 - 0) / (4 * (sf - 2 * de))) * 5, 0)
    return (8 + 4.25) * t_sim + simbolos * t_sim


def evaluar(sf, carga_app, mensajes_hora):
    toa = tiempo_de_aire_s(sf, carga_app)
    ciclo = mensajes_hora * toa / 3600
    max_hora = CICLO_MAX * 3600 / toa
    mah_dia = SUENO_MAH_DIA + mensajes_hora * 24 * CORRIENTE_TX_MA * toa / 3600
    presupuesto = POTENCIA_DBM - SENSIBILIDAD[sf]
    bps = 8 * carga_app / toa
    return toa, ciclo, max_hora, mah_dia, presupuesto, bps


print("SF  carga  tiempo de aire   ciclo (6 msg/h)  máx msg/h al 1 %   bit/s   enlace (dB)  años")
for sf in (7, 9, 12):
    for carga in (10, 20, 51):
        if carga > CARGA_MAX[sf]:
            print(f"{sf:>2}  {carga:>4}  no cabe (máximo {CARGA_MAX[sf]} bytes)")
            continue
        toa, ciclo, max_h, mah, pres, bps = evaluar(sf, carga, 6)
        print(f"{sf:>2}  {carga:>4}  {toa * 1000:>9.1f} ms   {100 * ciclo:>10.2f} %   {max_h:>14.0f}   {bps:>7.0f}   {pres:>8.0f}   {BATERIA_MAH / mah / 365:>5.1f}")

Resultado con los valores iniciales, con 6 mensajes por hora. SF7: 10 bytes tardan 61,7 ms, 20 bytes 71,9 ms y 51 bytes 118,0 ms; el ciclo de trabajo es 0,01 a 0,02 %, caben hasta 305 a 584 mensajes por hora y la batería rinde entre 12,8 y 16,2 años. SF9: 205,8, 246,8 y 390,1 ms, con 143 dB de presupuesto y entre 6,3 y 9,6 años. SF12: 1482,8, 1810,4 y 2793,5 ms; el ciclo llega a 0,25 a 0,47 %, caben entre 13 y 24 mensajes por hora, el presupuesto es de 151 dB y la batería dura entre 1,2 y 2,1 años. (Las cifras largas de años no consideran la autodescarga de la batería.)

Tres conclusiones del modelo. Una: el SF cambia el tiempo de aire más que el tamaño del mensaje: pasar de 10 a 51 bytes en SF7 multiplica el tiempo por 1,9; pasar de SF7 a SF12 lo multiplica por 25. Otra: la autonomía se decide en el tiempo de aire: el mismo dispositivo dura más de 12 años en SF7 y unos 2 años o menos en SF12. Y la tercera: el SF correcto no es el más alto sino el más bajo con el que todavía llega el mensaje, y de eso se encarga el control adaptativo de velocidad.

08 · Exploración interactiva

¿Cuánto cuesta cada mensaje?, de extremo a extremo

Este laboratorio ejecuta el mismo modelo del código anterior. Elegí el factor de ensanchamiento, el tamaño del mensaje de la aplicación y cuántos mensajes se envían por hora. Las barras muestran el tiempo de aire de cada SF con la carga elegida; la línea naranja es el tiempo máximo por mensaje que permite el 1 % con tu ritmo de envíos. Las barras rojas la superan. Si la carga no cabe en un SF, aparece como descartado. Los valores de sensibilidad y corriente son típicos.

Recorrido guiado

1. Con los valores iniciales (SF12, 20 bytes, 6 por hora), calculá. 1810,4 ms por mensaje, 0,30 % de ciclo de trabajo, hasta 20 mensajes por hora, 88 bit/s, 151 dB de presupuesto y 1,7 años de batería: «Cumple».
2. Pasá a SF7: 71,9 ms, 500 mensajes por hora posibles, 137 dB y 15,4 años. Veinticinco veces menos tiempo de aire; 14 dB menos de alcance.
3. Con SF12, subí a 60 mensajes por hora: el ciclo de trabajo es de 3,02 %, tres veces el máximo, y el resultado dice «Excede el 1 %». Además, el cálculo de autonomía baja a 68 días. Un SF alto no admite ritmos altos.
4. Con SF12, elegí 51 bytes: 2793,5 ms y 1,2 años. Las cargas más grandes cuestan tiempo de aire extra, aunque menos que el cambio de SF.
5. Pedí 115 bytes con SF12: «No cabe en el paquete». Cambiá a SF9 (máximo 115): 676,9 ms y 4,1 años. Con SF7: 215,3 ms y 9,4 años.
6. Con SF7 y 60 mensajes por hora, 51 bytes: 118,0 ms, 0,20 % de ciclo y 2,6 años. A SF bajo, el mismo ritmo cuesta mucho menos tiempo de aire, pero el alcance baja y la batería ya se resiente por la cantidad de transmisiones.

09 · Método de trabajo

Cómo diseñar un enlace LoRa

1. Definí el contenido del mensaje y compactalo. Cada byte cuesta tiempo de aire (tema 12): enteros escalados, formato binario, lotes con tiempo base.
2. Averiguá el plan de frecuencias y los límites de tu país: banda, potencia máxima, ciclo de trabajo o tiempo máximo por transmisión.
3. Calculá el tiempo de aire para el SF más alto que podrías necesitar, y de ahí la cantidad máxima de mensajes por hora y por día.
4. Elegí el tipo de red: pública o comunitaria (política de uso justo), operador comercial o gateway propio.
5. Ubicá los gateways en puntos altos, con buenas antenas; planificá cobertura redundante si importa la disponibilidad.
6. Hacé una prueba de campo recorriendo el área con un dispositivo de prueba y registrando señal y SF asignado; dejá un margen de 10 dB.
7. Activá el control adaptativo de velocidad en equipos fijos para que busquen el SF más bajo.
8. Diseñá sin depender de los comandos: la clase A solo recibe tras enviar; las órdenes urgentes necesitan otra clase o otra red.

Una última recomendación: reportá el SF, la intensidad de señal y el contador de tramas en los datos de diagnóstico, para saber cómo se comporta cada equipo y detectar pérdidas.

10 · Comprensión

Confusiones frecuentes

11 · Práctica guiada

Predecí antes de comprobar

1. Mensajes por hora

Un mensaje de 20 bytes dura 1810 ms en SF12. Con un ciclo de trabajo del 1 %, ¿cuántos mensajes por hora y por día puede enviar un dispositivo?

2. Uso justo

Una red comunitaria limita a 30 segundos de aire por día. ¿Cuántos mensajes de 20 bytes permite en SF7 y en SF12?

3. Energía de un mensaje

Con 40 mA durante la transmisión, ¿cuánta carga gasta un mensaje de 20 bytes en SF7 (71,9 ms) y en SF12 (1810 ms)? ¿Cuántas veces más?

4. Carga máxima

Un mensaje de aplicación pesa 100 bytes. ¿Con qué SF de la región europea puede enviarse?

5. Presupuesto de enlace

Pasar de SF7 a SF12 aporta 14 dB. En espacio libre, cada 6 dB duplican el alcance. ¿Cuántas veces más lejos llega SF12 en espacio libre?

6. Cuándo no usar LoRa

Indicá por qué LoRa no es adecuada para: (a) enviar una foto de 50 KB cada hora; (b) comandar una persiana con una orden que debe ejecutarse en un segundo.

12 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el tema 17?

Antes de avanzar, calculá el tiempo de aire de tu mensaje (el binario compacto del tema 12) en SF7, SF9 y SF12. Con cada uno, obtené los mensajes por hora que permite el 1 % y la autonomía de tu batería. Si el SF necesario para tu distancia no deja el ritmo de envíos que querías, revisá el mensaje, el ritmo o la ubicación del gateway.

Con este tema cerramos las radios. En el próximo, TCP/IP para dispositivos, subimos de capa: direcciones IP, puertos, DNS y sockets desde el firmware, la base común sobre la que corren HTTP y MQTT.