Estudio de una red ciudadana LoRaWAN

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnologías de Telecomunicación Estudio de una red ciudadana LoRaWAN Autor: Marta Heredia Alonso Tutor: María José Madero Ayora Dpto. Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 2 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de las tecnologías de Telecomunicación Estudio de una red ciudadana LoRaWAN Autor: Marta Heredia Alonso Tutor: María José Madero Ayora Profesor titular Dpto. de Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 4 Trabajo fin de Grado: Estudio de una red ciudadana LoRaWAN Autor: Marta Heredia Alonso Tutor: María José Madero Ayora El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2021 El Secretario del Tribunal 6 A mi abuela A mis padres y mi hermano A mis niñas 8 Agradecimientos A ti, desde arriba que me ayudas a cada paso que doy en mi vida, que me enseñaste que se puede llegar a donde tú lo desees siempre que sea con la alegría por bandera. La gente se va cuando se olvida, a ti te recordamos cada día aquí. A mi familia en general pero, sobre todo, a papá y mamá por la educación y la paciencia después de tantos años de llantos y pocas horas de sueño peleándome con mi propia frustración. A mi hermano porque no podemos ser más diferentes y complementarnos tanto sin darnos cuenta A Pablo, GPsito y a Carlos, porque estuvieron desde el primer día hasta el último en cada práctica, cada café y cada momento de pánico previo a examen. Por las fiestas y por los ataques de corazón cada vez que la EV nos mandaba una notificación de subida de notas. Jamás habría sido lo mismo sin vosotros. A Andrea que me aguanta cuando yo no me aguanto a mi misma y sabe leerme cuando estoy modo libro cerrado. Y a ti, RR, porque me has dado el apoyo que necesitaba para avanzar en esta etapa de mi vida. Por aparecer, sin más. Gracias por estar conmigo hasta el final del camino. Marta Heredia Alonso Sevilla, 2021 16 5 Simulaciones empleando tecnología LoRa ........................................................................................... 40 5.1 Contexto y situación .................................................................................................................................. 40 5.2 Consideraciones generales ....................................................................................................................... 42 5.2.1 Características de los equipos .......................................................................................................... 44 5.3 Simulaciones y estudio de resultados ...................................................................................................... 46 5.3.1 Caso 1 de estudio .............................................................................................................................. 46 5.3.2 Caso 2 de estudio .............................................................................................................................. 48 5.4 Aspectos económicos ................................................................................................................................ 51 6 Conclusiones y lineas futuras de trabajo .............................................................................................. 54 6.1 Líneas futuras de avance .......................................................................................................................... 54 7 Bibliografía ............................................................................................................................................. 1 18 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1 - Potencias permitidas en la banda 433.05 - 434.79 MHz 7 Tabla 2.2 - Potencias permitidas en la banda 868 - 870 MHz 7 Tabla 2.3 - Tabla de relación SF – SNR – Sensibilidad del receptor 10 Tabla 2.4 - Algunos ejemplos de valores de transferencia en función de B y SF 11 Tabla 4.1 - Coordenadas en HTZ 28 Tabla 5.1 – Ubicación de la ETSI 43 Tabla 5.2 - Características RF de estaciones base 44 Índice de Figuras 20 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1 - Logo LoRa Alliance 5 Figura 2.2 - Escenario transmisión LoRa 8 Figura 2.3 - Representación pulsos de chirp ascendente y descendente 8 Figura 2.4 - Comparativa entre señal no modulada y señal modulada mendiante chirp 9 Figura 2.5 - Torre de protocolos de LoRa 12 Figura 2.6 - Estructura de una red LoRaWAN 13 Figura 2.7 - Slot de tiempos de dispositivos de clase A 13 Figura 2.8 - Slot de tiempos de dispositivos de clase B 14 Figura 2.9 - Slot de tiempos de dispositivos de clase C 14 Figura 2.10 - Encriptación LoRaWAN 15 Figura 2.11 - Seguridad LoRaWAN 15 Figura 3.1 - Logo TTN 17 Figura 3.2 - Mapa global con TTN 19 Figura 3.3 - Mapa gateways disponibles en Alemania 19 Figura 3.4 - Mapa gateways disponibles en la Península Ibérica 20 Figura 3.5 - Características puerta de enlace 20 Figura 3.6 - Mapa de gateways disponibles en Sevilla 21 Figura 4.1 - Capas de mapas en HTZ 25 Figura 4.2 - Opciones de HTZ 26 Figura 4.3 - Capas de HTZ 26 Figura 4.4 - Representación de capas en HTZ 27 Figura 4.5 - Representación del perfil del terreno en HTZ 28 Figura 4.6 - Coordenadas en HTZ 28 Figura 4.7 - Estaciones disponibles en HTZ 29 Figura 4.8 - Emplazamiento exacto de elementos en HTZ 30 Figura 4.9 - Pestañas de configuración de estación base 31 Figura 4.10 - Pestañas de parámetros de una estación 32 Figura 4.11 - Propiedades de objeto en HTZ 33 Figura 4.12 - Modelos de propagación HTZ 35 Figura 4.13 - Parámetros de receptor 36 Figura 4.14 - Umbral del receptor 37 Figura 4.15 - Cobertura y leyenda 38 Figura 5.1 - Ubicaciones de los edificios de la Universidad de Sevilla 41 Figura 5.2 - Mapa disponible en HTZ 42 Figura 5.3 - Coordenadas de las estaciones base 43 Figura 5.4 - Características RF de estaciones base 44 Figura 5.5 - Patrones de radiación antena elegida 45 Figura 5.6 - Antena 80010846 45 Figura 5.7 - Configuración receptor en la simulación caso 1 47 Figura 5.8 - Cobertura con todas las BS activas y sensibilidad de -117 dBm 47 Figura 5.9 - Cobertura con seis BS activas y sensibilidad de -117 dBm 48 Figura 5.10 - Configuración receptor en la simulación caso 2 49 Figura 5.11 - - Cobertura con once BS activas y sensibilidad de -107 dBm 49 Figura 5.12 - Zoom de la cobertura cercana a las estaciones base 50 Figura 5.13 - Cobertura con seis BS activas y sensibilidad de -107 dBm 50 1 Introducción, objetivos y estructura de la memoria 2 1 INTRODUCCIÓN, OBJETIVOS Y ESTRUCTURA DE LA MEMORIA a tecnología LoRa está en continuo crecimiento por el gran rango de aplicaciones en las que se puede emplear: desde mejorar situaciones de la vida cotidiana de los ciudadanos como controlar el riego en un cultivo o el estado del alumbrado público, hasta facilitar el cuidado de enfermos dentro de hospitales en la situación sanitaria actual. Las grandes ventajas encontradas en LoRa y LoRaWAN dieron lugar a la idea de poder crear una red ciudadana que diera soporte a una red propia IoT para el uso de los alumnos de toda la Universidad de Sevilla y sus profesores, con el reto que supone la limitación de potencia al moverse en un rango de frecuencias de libre emisión. 1.1 Objetivos del trabajo Se intentará comprobar si realmente es viable la construcción de una red que cumpla con las características en cuanto a niveles de señal, reduciendo al máximo posible el número de interferencias y que, además, ofrezca seguridad en la transmisión para conservar la privacidad de todos los usuarios. También se estudiará la posibilidad de dar cobertura a terceros en las inmediaciones de los edificios de la Universidad de Sevilla. Todo ello, además, abaratando costes tanto humanos como en la implantación de estaciones base. A continuación, nos disponemos a ver con detalle esta tecnología estudiando la viabilidad de la implementación de una red que, haciendo uso de sus características, de cobertura a la Universidad de Sevilla. 1.2 Estructura de la memoria La memoria está dividida en cinco capítulos importantes. Comienza con una introducción sobre las bondades que ofrece la tecnología LoRA y su protocolo LoRaWAN para asentar las bases teóricas del proyecto. A continuación, se muestra la importancia de esta tecnología en las redes ciudadanas que ya existen y que se han tomado como referencia para la elaboración de este estudio. Posteriormente, hay un capítulo dedicado al empleo de la herramienta de estudio de cobertura radio conocida como HTZ en el que se va a desarrollar su funcionamiento y distintas posibilidades que ofrece para mostrar L “El éxito es la suma de pequeños esfuerzos que se hacen día tras día” - Robert Collier - 3 3 Estudio de una red ciudadana LoRaWAN resultados obtenidos. Todo esto es el preludio a un apartado dedicado a exponer los distintos escenarios de estudio posibles. Se tratará de un capítulo donde se van a desarrollar todas las simulaciones que se han realizado con el software elegido y donde se van a analizar los resultados obtenidos. Por último, existe un capítulo destinado a conclusiones y futuras líneas de trabajo en el que se va a realizar un breve resumen de todo el estudio y que dejará abierta una ventana para el futuro. Introducción teórica: LoRa y LoRaWAN 10 SF SNR Sensibilidad del receptor 7 -7.5 dB -125 dBm 8 -10 dB -127 dBm 9 -12.5 dB -130 dBm 10 -15 dB -132 dBm 11 -17.5 dB -135 dBm 12 -20 dB -137 dBm Tabla 2.3 - Tabla de relación SF – SNR – Sensibilidad del receptor Trabajando en la robustez y seguridad que ofrece esta tecnología, se hace uso de los Códigos de Redundacia Cíclica (CRC). Se trata de una técnica específica que añade símbolos de control para poder corroborar la veracidad de los datos e incluso poder determinar los valores correctos en la demodulación. Esta codificación de error cíclica supone una sobrecarga en la transmisión, pero es empleada debido a la alta eficiencia para mejorar la fiabilidad del canal en presencia de interferencias. 2.2.2.3 Ancho de banda Otro de los parámetros a tener en cuenta en LoRa es el ancho de banda (B) ya que su aumento permite una tasa de datos más alta reduciendo el tiempo de transmisión. Los valores definidos para la modulación son 125 kHz, 250 kHz y 500 kHz. La relación que existe entre los parámetros que caracterizan esta tecnología ya se ha analizado anteriormente en la ecuación: 𝑅𝑠=𝐵𝑊 2𝑆𝐹 Donde BW es el ancho de banda y SF es el factor de ensanchado. Haciendo uso de esta relación, se llega a dos conclusiones. La elección entre ellas dependerá de cuáles son las necesidades del modelo a implementar llegando a una solución de compromiso adecuada en cada aplicación: • Si se aumenta el ancho de banda, la comunicación es más rápida ya que disminuye el tiempo de bit y aumenta la capacidad del canal. • Si el factor de ensanchado aumenta, la comunicación es más lenta ya que aumenta el tiempo de bit, pero la inmunidad ante el ruido es mayor. 11 Estudio de una red ciudadana LoRaWAN SF 125 kHz 250 kHz 500 kHz 6 9.4 kb/s 18.8 kb/s 37.5 kb/s 12 0.293 kb/s 0.588 kb/s 1.17 kb/s Tabla 2.4 - Algunos ejemplos de valores de transferencia en función de B y SF 2.2.3 Ventajas de la tecnología LoRa LoRa presenta múltiples ventajas entre las que se puede destacar: • Gran tolerancia a las interferencias. • Alta sensibilidad en el receptor en el rango comprendido entre -117 dBm y -137 dBm • Bajo consumo de potencia. Las baterías pueden tener una vida de hasta 10 años. • Alcances grandes, alrededor de 16 km en espacios abiertos y los 6 km en ambientes urbanos. • Resistente a condiciones climatológicas adversas y señales capaces de penetrar barreras como hormigón y el subsuelo. • Fácil instalación en lugares de difícil acceso. Las actualizaciones de software se pueden realizar de forma remota por lo que reduce el coste en cuanto a mantenimiento y tiempo del técnico. • Flexibilidad para todo tipo de negocios y aplicaciones. • Gran seguridad y fiabilidad en la transmisión de la información. Existen redes públicas, privadas y mixtas. 2.2.4 Aplicaciones de la tecnología LoRa Como ya se ha comentado antes, LoRa es una tecnología ideal para conexiones a distancias grandes y para redes de IoT en circunstancias o climas adversos como puede ser el hecho de no disponer de corriente eléctrica de red. Existe una larga lista de aplicaciones diarias en las que se emplea esta tecnología haciendo uso de las ventajas de esta. Algunas de las más destacadas son: • Smart cities o ciudades inteligentes: la implantación de redes ciudadanas, sensores acuáticos instalados en océanos que monitorizan la probabilidad de tsunamis, sensores que cortan el suministro de gas cuando hay terremotos, etc. • Prevención de accidentes en carretera controlando la afluencia de los vehículos. • Monitorizar pedidos e inventarios en grandes compañías como Amazon, facilitando la correcta entrega de estos. • Monitorización medioambiental: controlar el rendimiento de las cosechas, sensores de temperatura, humedad del suelo, controlar el ciclo de vida de ciertas especies en peligro de extinción, etc. • Mejorar la estancia de los pacientes en hospitales y salvar vidas. Este punto ha sido muy característico en la situación sanitaria actual ya que se ha empleado LoRa para monitorizar tanques de oxígeno, administrar medicamentos a la temperatura correcta y la posibilidad de ampliar infraestructuras de hospitales en apenas días. Introducción teórica: LoRa y LoRaWAN 12 2.3 LoRaWAN 2.3.1 Introducción LoRaWAN es un protocolo abierto de red de área amplia (LPWA) diseñado para la conexión inalámbrica de dispositivos de baja potencia permitiendo que se comuniquen con aplicaciones conectadas a internet, más conocido como Internet de las cosas (IoT). Mientras que LoRa representa la capa física de la red habilitando el enlace de comunicación de largo alcance, LoRaWAN es la capa de control de acceso al medio (MAC) a través de la cual LoRa opera y que define el protocolo de comunicación y la arquitectura del sistema para la red. Figura 2.5 - Torre de protocolos de LoRa El objetivo es emplear Gateways (antenas) y nodos (dispositivos finales) que están en continua transmisión y recepción de información. Permite la interconexión entre objetos inteligentes sin instalaciones excesivamente complejas otorgando libertad de empleo al usuario final, desarrollador y a las empresas que quieren instalar su propia red de IoT. 2.3.2 Arquitectura de red LoRaWAN implementa una topología estrella-estrella para retransmitir los datos desde los nodos finales a un servidor central empleando puertas de enlace (gateways) que están conectadas a través de conexiones IP y actúan como un puente convirtiendo paquetes radio en paquetes IP y viceversa. Las puertas de enlace son enrutadores equipados con un concentrador LoRa, lo que les permite recibir paquetes de esa tecnología. Existen dos tipos de puertas de enlace principalmente: • Gateways que ejecutan con un firmware mínimo, haciéndolas de menor coste y más sencillas de utilizar. Sólo reenvían paquetes. • Gateways que ejecutan un sistema operativo, en las que el software de reenvío de paquetes se ejecuta como un programa en segundo plano. Esto facilita al administrador la libertad de poder instalar su propio software. La complejidad de la red reside en el servidor central que se encarga de administrar y filtrar paquetes redundantes, realizando las comprobaciones de seguridad necesarias para asegurar la veracidad de la información. La red elimina la información duplicada y selecciona la mejor puerta de enlace para reenviar los 13 Estudio de una red ciudadana LoRaWAN mensajes por el enlace descendente lo que significa que una única puerta de enlace puede servir a miles de dispositivos distintos. 2.3.3 Dispositivos LoRaWAN Los dispositivos finales pueden tener distintos requisitos dependiendo de la aplicación y para optimizar esta tecnología a los dispositivos LoRaWAN existen tres clases. Todos los dispositivos LoRaWAN deben implementar la clase A, mientras que las clases B y C son extensiones de la primera especificación. 2.3.3.1 Clase A: dispositivos finales bidireccionales de menor potencia Se trata de una comunicación bidireccional y es completamente asíncrona. El envío de datos se inicia en el dispositivo final. Se emplea un tipo de protocolo ALOHA en el que cada transmisión de enlace ascendente (desde el dispositivo hasta el servidor) se puede enviar en cualquier momento abriéndose, a continuación, dos ventanas de enlace descendente (recepción) lo que facilita el control de la red. Si el servidor no responde en las ventanas de recepción, deberá esperar al próximo envío ascendente desde el dispositivo. Para controlar la comunicación de enlace descente se almacena en un búfer en el servidor de red hasta el próximo evento de enlace ascendente. La clase A es el modo de funcionamiento de menor consumo de energía ya que el dispositivo final puede ingresar en modo de suspension de bajo consumo durante el tiempo que defina su propia aplicación. Muy empleado en aplicaciones con comunicación de enlace de bajada no crítica. Figura 2.6 - Estructura de una red LoRaWAN Figura 2.7 - Slot de tiempos de dispositivos de clase A Introducción teórica: LoRa y LoRaWAN 14 2.3.3.2 Clase B: dispositivos finales bidireccionales con latencia de enlace descendente determinista Amplían la clase A al agregar ventanas de recepción adicionales a las dos ya existentes. Se sincronizan con la red mediante balizas sincronizadas trasmitidas por la puera de enlace. Esto proporciona a la red la posibilidad de enviar comunicaciones de enlace descendente con caracter determinista pudiéndose programar de hasta 128 segundos y el servidor es consciente del momento en el que el dispositivo está escuchando. Esto se logra a costa de un ma (Internautas preparan la primera red ciudadana libre de Barcelona para la internet de las cosas, 2016)yor consumo de energía en el dispositivo final aunque el cómputo final es muy bajo por lo que puede seguir siendo alimentado por baterías. 2.3.3.3 Clase C: dispositivos finales bidireccionales con latencia de enlace descendente determinista La principal diferencia que existe con los dispositivos de clase A es que en la clase C se mantiene abierto el receptor del dispositivo final en todo momento en el que el dispositivo no está transmitiendo. El servidor puede enviar un mensaje en cualquier momento asumiendo que el receptor del dispositivo final estará abierto. Esto incrementa el consumo de potencia por lo que esta clase es adecuada para aplicaciones en las que hay energía continua haciéndola inadecuada para aplicaciones de larga duración de las baterías. 2.3.4 Seguridad de la red Una de las principales características de esta tecnología es el alto nivel de seguridad que ofrece y la viabilidad de envío seguro a través de la red. LoRaWAN utiliza dos capas de seguridad caracterizadas por la protección de datos tanto en la capa de enlace como en la capa de aplicación. En la capa de aplicación, los datos están encriptados entre el nodo y el servidor de aplicación mientras que para la capa de enlace se trabaja en garantizar la integridad de datos entre el nodo y el servidor de red. 2.3.4.1 Autenticación mutua También conocida como autenticación bidireccional, se refiere a dos partes que se autentican entre sí al mismo tiempo para lo cual se hace uso de dos claves: • Una clave de sesión de red única de 128 bits compartida entre el nodo y el servidor, conocida como NwkSKey. Se emplea para comprobar la veracidad de cada mensaje. • Una clave de sesión de aplicación única de 128 bits compartida de un extremo a otro a nivel de Figura 2.8 - Slot de tiempos de dispositivos de clase B Figura 2.9 - Slot de tiempos de dispositivos de clase C 15 Estudio de una red ciudadana LoRaWAN aplicación, conocida como AppSKey. Se emplea para cifrar y descifrar el mensaje enviado. 2.3.4.2 Integridad y confidencialidad Las claves de sesión comentadas anteriormente se usan para proteger todo el tráfico en una red LoRaWAN. Ademas, la AppSKey se emplea para la encriptación final entre el nodo y el servidor así como para calcular el código de integridad del mensaje (verificación MIC) garantizando la integridad entre el nodo y el servidor. En resumen, empleando las bondades que ofrece LoRaWAN a nivel de seguridad, es posible implementar una red compartida de múltiples usuarios sin que el operador de red tenga visibilidad de los datos compartidos. Figura 2.10 - Encriptación LoRaWAN Figura 2.11 - Seguridad LoRaWAN Introducción teórica: LoRa y LoRaWAN 16 17 3 RED CIUDADANA LORAWAN ivimos en una sociedad en constante transformación. Internet evoluciona rápidamente y eso ha permitido la creación de conceptos nuevos a lo largo de los últimos años, como es el caso del Internet de las cosas (IoT). La conexión de dispositivos a través de la una red ha supuesto una mejora tanto en la vida cotidiana de las personas como en los entornos empresariales donde cada vez alcanza mayor importancia. Cuenta con un número de aplicaciones infinitas, desde el uso en la domótica como los frigoríficos inteligentes o la seguridad de las alarmas en los hogares hasta el uso en aplicaciones industriales como sensores en plantas de producción o monitorización biométrica. Las empresas buscan renovarse diariamente y la creación de una red global de IoT que de cobertura a las necesidades del ciudadano es, en muchas ocasiones, el objetivo final. 3.1 The Things Network (TTN) The Things Network fue una iniciativa creada por Wienke Giezeman en 2015 que buscaba la construcción de una red de IoT mediante la creación de abundante conectividad de datos. La tecnología empleada es LoRaWAN y permite que las cosas se conecten a internet sin necesidad de WiFi o 3G. Se emplea esta tecnología debido a su bajo consumo de potencia, característica clave para una red IoT. V “Si quieres volar alto, empieza desde abajo. La Humildad es el fundamento de todo.” - Don Bosco - Figura 3.1 - Logo TTN Red ciudadana LoRaWAN 18 Desde TTN se proporcionan una serie de herramientas para la creación de la red IoT a un coste bajo y fácil de implementar que presenta un sólido cifrado extremo a extremo y eso supone que la red sea más segura y fiable. Lo particular de TTN es que se trata de una red comunitaria de uso común, un recurso construido, gestionado y soportado económicamente por voluntarios de todo el mundo que comenzó como una utopía y hoy en día cuenta con más de 3.000 pasarelas LoRaWAN en más de 90 países de todo el mundo. El principal motivo para participar de una red comunitaria es poder auto-proveer de conectividad a una zona en la que no existe, pero hay otras muchas razones para tomar parte de ella. El deseo de disponer de una red alternativa a cualquiera de las proporcionadas por agentes privados, la autonomía que supone poder controlar tu propia red, la disponibilidad de redes abiertas y mucho más asequibles económicamente, la mejora en la privacidad y seguridad de datos personales así como la satisfacción personal que supone poder elaborar un proyecto de toda la ciudadanía donde trabajar en equipo con personas de todo el mundo, suponen razones de gran peso para apostar en una forma de cohesión social y conexión tecnológica. 3.2 Expansión global Como ya se ha comentado anteriormente, TTN está en continua expansión. La inquietud del ser humano y la tecnología de fácil uso e implementación acelera el proceso de expansión por todo el mundo. Amsterdam fue la ciudad pionera en la iniciativa que ha dado forma a este Trabajo Fin de Grado. En verano de 2015, 10 entidades colocaron antenas de tecnología LoRa y se unieron a un servidor compartido para construir una red comunitaria para sensores. La creación de una red ciudadana fue posible gracias a que se pudo cubrir gran parte del área urbana en solo semanas. Se incluyeron, entre otras aplicaciones, sensores para monitorizar el nivel de agua de canales o puertos para controlar inundaciones de los barcos particulares, chips en bicicletas ante la gran afluencia de estas para verificar que ninguna ha sido robada o movida, semáforos inteligentes e incluso recogidas de residuos urbanos, así como el empleo en empresas que lo han introducido en su modelo de negocio monitorizando objetos prestados o alquilados. El ejemplo de Amsterdam ha sido adaptado en otras ciudades como Zúrich, Berna y Berlín donde se necesitaron 9 meses para dar acceso a más de 3.000.000 personas gracias a la facilidad y rapidez de instalación que ofrece LoRaWAN. A continuación, se muestra un mapa con la ubicación actual de las ciudades del mundo que forman parte de esta red. Actualmente, TTN apoya a mas de 100.000 desarrolladores en la construcción de soluciones LoRaWAN destinadas a la industria y más de 30.000 voluntarios participan en la red IoT más grande del mundo. 19 Estudio de una red ciudadana LoRaWAN En el mapa se aprecian los gateways que hay instalados en todo el mundo conectados a la red TTN empleando la tecnología LoRaWAN. Es notable cómo la mayor parte se concentra en la región alemana que hace uso de la red con hasta 886 puertas de enlace disponibles. En muchos países europeos, como es el caso de Bélgica y Alemania, los ayuntamientos colaboran con esta idea tecnológica por lo que la administración de la red es aún más sencilla. Figura 3.2 - Mapa global con TTN Figura 3.3 - Mapa gateways disponibles en Alemania Metodología empleada: HTZ 26 Una vez que ya se ha cargado el mapa y se comienza a trabajar en él, el funcionamiento de la herramienta se puede resumir en: Figura 4.2 - Opciones de HTZ Figura 4.3 - Capas de HTZ 27 Estudio de una red ciudadana LoRaWAN 1. Cargar los mapas elegidos para la zona de estudio. 2. Diseñar sobre el mapa elegido la topología de la red o del enlace que es motivo de estudio, en nuestro caso se ha elegido LoRa. Se especifican los parámetros de configuración de las antenas. 3. Elegir la simulación deseada, modificando las condiciones climatológicas en caso de que fuera necesario y configurar las características del análisis. Simular la transmisión para poder interpretar resultados, en nuestro caso serán varias coberturas que estudiar. Finalmente, elegir la red más adecuada para cubrir las necesidades del proyecto. 4.2 Representación del terreno Una vez que se ha cargado el proyecto o se ha abierto uno nuevo, la representación del terreno se muestra en pantalla a través de los mapas y las capas nombradas. No siempre van a estar todas disponibles, como ya se ha comentado antes la única obligatoria es la .GEO. Figura 4.4 - Representación de capas en HTZ Metodología empleada: HTZ 28 Otra de las opciones que incluye HTZ es representar el perfil del terreno del punto que se elija dentro del mapa. En este caso, el mapa empleado es uno de la Península Ibérica que se ha centralizado en el objeto de estudio que es Sevilla, pero moviendo el cursor por todo el mapa se van mostrando los diferentes perfiles que tiene el terreno. También es posible controlar las coordenadas en el mapa. Es importante tenerlas en cuenta para saber en qué lugar exacto van a estar situados nuestros elementos ya que se corresponden con la ubicación real de cara a la posible implementación de la red. Aporta también información sobre qué carácterísticas tiene el terreno en el que se instala ya que restringe las características de la transmisión por radio. En la Figura 4.6 se muestran las coordenadas del punto elegido al azar: Latitud 41.30760º Longitud -1.45615º Altitud 901 m Medio Forestal Tabla 4.1 - Coordenadas en HTZ Figura 4.5 - Representación del perfil del terreno en HTZ Figura 4.6 - Coordenadas en HTZ 29 Estudio de una red ciudadana LoRaWAN En este caso el formato en el que se han representado las coordenadas es en grados decimales, pero HTZ incorpora una herramienta muy útil que permite convertir las coordenadas al formato grado-minutos-segundos por lo que se puede trabajar con cualquier formato. Existen más herramientas como los filtros del terreno, altura o superficie. Además, se puede activar rejillas de coordenadas, ver el mapa en 3D si se dispone de las capas que aporten la información necesaria como altura de los edificios, etc. En este caso, vamos a centrarnos en las opciones utilizadas para la realización de este trabajo: colocación de objetos según coordenadas y cálculo de coberturas en HTZ. 4.3 Objetos en HTZ En HTZ existen varios objetos entre los que podemos elegir según lo que se desea simular. Hay disponibles estaciones base fijas (transmisoras y receptoras), estaciones base móviles, radares, aerogeneradores o radioenlaces punto a punto. Una vez elegidos cuáles son los objetos que se van a utilizar, es importante elegir dónde y cómo colocarlos atendiendo a dos cosas principalmene: 1. Ubicación exacta del elemento: para lo cual existe una opción dentro del HTZ en la que se puede colocar el objeto atendiendo a las coordenadas. Es muy útil cuando no se posee la capa de alturas de edificios, pero se buscan las ubicaciones en los mapas que ofrece Google; de esa manera, no se elige una ubicación aproximada sino una real. Figura 4.7 - Estaciones disponibles en HTZ Metodología empleada: HTZ 30 2. Parámetros de configuración de elementos, donde se pueden elegir las características para la transmisión de las estaciones. Existen cinco pestañas, entre las cuales está la explicada con anterioridad (figura 4.8), pero vamos a centrarnos en tres de ellas: general, patterns y advanced. Figura 4.8 - Emplazamiento exacto de elementos en HTZ 31 Estudio de una red ciudadana LoRaWAN 2.1. En la pestaña “General” se puede asignar el tipo de estación base, la señal que se va a transmitir, potencias, ganancias de antenas, alturas de las antenas, el ancho de banda de la transmisión, pérdidas en dB, etc. 2.2. En la pestana “Patterns” se selecciona cuál es el patrón de radiación de la antena que se elige para la simulación. Existen algunos patrones por defecto, aunque también es posible importar antenas de fabricantes reales, como es el caso de este trabajo en el que se ha empleado una antena externa real. 2.3. En la pestaña “Advanced” una vez que se ha seleccionado en General la modulación a emplear se asigna automáticamente en esta pestaña el valor elegido. Lo realmente importante es que aquí se puede modificar el umbral de la estación y la sensibilidad del receptor. Figura 4.9 - Pestañas de configuración de estación base Metodología empleada: HTZ 32 Figura 4.10 - Pestañas de parámetros de una estación 33 Estudio de una red ciudadana LoRaWAN Todo esto aporta características particulares a los objetos, pero HTZ también proporciona la posibilidad de aportar a todos los elementos algunas más generales facilitando la tarea de identificar estaciones o darle los mismos parámetros a todos los elementos como puede ser la representación gráfica de los elementos, la posibilidad de la visualización de los patrones de radiación, los nombres de cada uno de ellos, etc. Para ello existe una ventana de propiedades del objeto en la que se pueden definir estas características. Figura 4.11 - Propiedades de objeto en HTZ Metodología empleada: HTZ 34 4.4 Cálculo de cobertura en HTZ Una de las acciones más importantes que ofrece HTZ es la realización de simulaciones de coberturas empleando las características seleccionadas anteriormente y teniendo en cuenta las zonas del terreno, la frecuencia empleada, etc. En este software se puede elegir cuál es el modelo de propagación concreto, aunque también existen algunos ya implementados por defecto. 35 Estudio de una red ciudadana LoRaWAN Figura 4.12 - Modelos de propagación HTZ Simulaciones empleando tecnología LoRa 42 El siguiente paso será encontrar una infraestructura tecnológica que asuma el reto de poder poner una red IoT a disposición de toda la comunidad de estudiantes y de profesores, con el menor número de interferencias, maximizando la potencia y el radio de cobertura y abaratando costes. Así es como se inicia el proceso de estudio de la tecnología LoRa y la viabilidad de la implementación de la red. 5.2 Consideraciones generales HTZ dispone de algunos mapas del globo terráqueo, pero no todos los necesarios ni con todas las capas implicadas para una correcta simulación de la tecnología. Este fue el primer obstáculo en el camino. Se disponía de un mapa de la península ibérica donde sólo existía la capa .GEO, no estaban disponibles las alturas de los edificios y la representación del terreno era muy poco intuitiva lo cual dificultaba notablemente la ubicación de la infraestructura de la US para poder estudiar dónde situar las estaciones base principales que cubrieran las necesidades de la red. Finalmente, se realizó una comparativa entre el mapa que teníamos disponible en HTZ (Figura 5.2) y Google Earth consiguiendo localizar los emplazamientos deseados. Un ejemplo fue la ubicación de la ETSI, aunque con todos los demás se siguió el mismo procedimiento. De esta manera, se podían establecer en el mapa todos los edificios de la US. Figura 5.2 - Mapa disponible en HTZ 43 Estudio de una red ciudadana LoRaWAN -6.006 (NS) 37.41 (EO) Tabla 5.1 – Ubicación de la ETSI Para las simulaciones usando LoRaWAN, al tratarse de una red urbana se ha empleado el modelo de propagación indicado en el apartado 4.4 y reflejado en la Figura 4.12, es decir, ITU-R 525/526-11+Deygout 66. La capa clutter empleada es la que venía por defecto en el software, no se ha realizado ninguna modificación sobre ella. En cuanto a la frecuencia elegida ha sido 868 MHz, en ella trabaja LoRa y además se puede emitir de forma libre en España mientras no se supere unos valores de emisión. LoRa es una tecnología diseñada para poder transmitir en largas distancias por lo que el área de simulación elegida ha sido de 6 km y a lo largo de las simulaciones se han encontrado resultados interesantes sobre la propagación de la señal que se detallarán más adelante. Orientación Grados Minutos Segundos Norte 37 24 38 Oeste 6 00 21 Figura 5.3 - Coordenadas de las estaciones base Simulaciones empleando tecnología LoRa 44 5.2.1 Características de los equipos Las estaciones base elegidas hacen uso de LoRaWAN y presentan las siguientes características: Características RF de las estaciones base Potencia 0.158 W Ganancia (Tx y Rx) 6 dBi Frecuencia de trabajo 868.1 MHz Ancho de banda (Tx y Rx) 125 kHz Altura para colocar la antena 30 m Modulación CCS Sensibilidad (KTBF) -110 dBm Tabla 5.2 - Características RF de estaciones base Figura 5.4 - Características RF de estaciones base 45 Estudio de una red ciudadana LoRaWAN La altura de la antena receptora importada en HTZ para la simulación ha sido de 1.5 m y el modelo específico elegido ha sido la antena 80010846_0869_X_CO extraída del catálogo de antenas que oferta Kathrein. Esta antena trabaja en 869 MHz, tiene una ganancia de 0 dBd aunque es ampliable, posee un tilt eléctrico y el patrón de radiación es el mostrado en la Figura 5.5. La antena real que más se aproximaría a las necesidades de este proyecto es la Antena Pasiva LoRa 8 Mikrotik TOF-0809-7V-S1, es una antena de estación base con una frecuencia desde los 863 MHz hasta los 870 MHz, ganancia de 6.5 dBi y potencia de 50 W. Compuesta de latón, con 50 Ω y con un rango de temperatura de 0ºC a 50ºC y protección contra rayos por lo que cubre perfectamente el rango climatológico de Sevilla. Presenta dimensiones de 25 mm Ø y 1 metro de longitud. Coste de 58 €/unidad. Figura 5.5 - Patrones de radiación antena elegida Figura 5.6 - Antena 80010846 Simulaciones empleando tecnología LoRa 46 5.3 Simulaciones y estudio de resultados La sensibilidad de un sistema LoRa oscila entre los -117 y los -137 dBm dependiendo de la configuración del receptor. Vamos a considerar que una red de este tipo es viable si se obtiene un nivel de señal recibida superior al del propio sistema LoRa. Para las simulaciones se han supuesto dos situaciones reales y se va a estudiar el comportamiento de la red explicada con anterioridad. 5.3.1 Caso 1 de estudio Se inicia el estudio suponiendo una sensibilidad del receptor justo en el umbral permitido para que la transmisión sea viable, por lo que se debería cumplirse que: PRX ≥ -117 dBm Donde PRX es la potencia que llega al receptor. La red inicialmente está compuesta por once estaciones base sitas de forma exacta gracias a la herramienta que ofrece HTZ para ello en ciertas ubicaciones de los edificios de la US que cubrieran las necesidades de las diferentes zonas universitarias, más concretamente: • Facultad de Comunicación • Escuela Técnica Superior de Ingeniería • Facultad de Medicina • Facultad de Enfermería, Fisioterapia y Podología • Escuela Técnica Superior de Arquitectura • Facultad de Matemáticas • Escuela Técnica Superior de Ingeniería Informática • Facultad de Psicología • Facultad de Ciencias Económicas y Empresariales • Facultad de Derecho • Facultad de Ciencias de la Educación Se considera que la sensibilidad del receptor va a estar justo en el umbral que ofrece LoRa para hacer las simulaciones, por lo que la configuración de este sería la mostrada en la Figura 5.7. 47 Estudio de una red ciudadana LoRaWAN Tras la primera situación de simulación, se puede observar cómo la huella de cobertura es bastante amplia y presenta un nivel de señal elevado incluso en los puntos más alejados. Como ya se ha explicado con anterioridad, LoRa es una tecnología diseñada para transmisiones de largo alcance por lo que el resultado obtenido es el esperado, alcanzándose un mínimo de señal en la zona sombreada de color azul de aproximadamente -111 dBm por lo que incluso a mayores distancias esta red cumpliría la restricción acordada para ser una transmisión óptima. Se demuestra así que con las once estaciones base y con la sensibilidad del receptor a -117 dBm se cumplen requisitos para poder transmitir con fiabilidad. Figura 5.7 - Configuración receptor en la simulación caso 1 Figura 5.8 - Cobertura con todas las BS activas y sensibilidad de -117 dBm Simulaciones empleando tecnología LoRa 48 El siguiente paso fue hacer la red más sencilla intentando eliminar estaciones base que además de facilitar la construcción de esta, abaratasen costes. El reto era que, empleando la misma sensibilidad para el receptor y radio de cobertura, pero con tan solo seis estaciones base disponibles, la propagación siguiera siendo factible. Tras la segunda situación de simulación, se observa cómo la huella de cobertura sigue siendo amplia y el nivel de señal en las zonas más alejadas sombreadas de color azul es de -110 dBm por lo que sigue estando dentro de los márgenes establecidos para este primer caso. Tras esta primera fase de cálculos de cobertura, se determina que se puede propagar la información de forma viable cubriendo las necesidades de la red empleando la tecnología LoRA haciendo uso de seis estaciones base. 5.3.2 Caso 2 de estudio Se continúa el estudio suponiendo una sensibilidad del receptor más restrictiva que en el caso anterior. Como se ha comentado anteriormente, el umbral de LoRa es de -117 dBm por lo que en este apartado se va a trabajar por encima de ese valor simulando un margen de desvanecimientos de 10 dB. En este caso, para que la comunicación sea factible deberá cumplirse que: PRX ≥ -117 dBm + 10 dB → PRX ≥ -107 dBm Donde PRX es la potencia que llega al receptor. La red inicialmente va a estar compuesta por las once estaciones base activas y se considera que la sensibilidad del receptor va a estar por encima del umbral que ofrece LoRa para hacer las simulaciones, por lo que la configuración de este sería la mostrada en la Figura 5.10. Figura 5.9 - Cobertura con seis BS activas y sensibilidad de -117 dBm 49 Estudio de una red ciudadana LoRaWAN Una vez realizada la simulación, se comprueba que la señal mínima recibida es de aproximadamente -106 dBm en las zonas más alejadas del transmisor. Es notable cómo la señal va desapareciendo hasta casi ser imperceptible en las estaciones ubicadas en el campus de Reina Mercedes y Viapol mientras que en la zona de la Cartuja la señal se propaga sin dificultad y con una mayor potencia. Esto es lo esperado debido a que LoRa es una tecnología de área amplia por lo que se propaga por las zonas de campo abierto mientras que en ubicaciones donde existen numerosos edificios existe una peor transmisión. A pesar de esto, en la Figura 5.12 se puede comprobar que, respetando el margen de desvanecimientos, se puede garantizar el servicio en las zonas próximas a las estaciones base. Figura 5.10 - Configuración receptor en la simulación caso 2 Figura 5.11 - - Cobertura con once BS activas y sensibilidad de -107 dBm Simulaciones empleando tecnología LoRa 50 Por último, se pretende simplificar la configuración de la red restringiéndose también el número de estaciones base activas. De nuevo, el reto es conseguir que la señal se propague empleando un menor número de transmisores. Figura 5.12 - Zoom de la cobertura cercana a las estaciones base Figura 5.13 - Cobertura con seis BS activas y sensibilidad de -107 dBm 51 Estudio de una red ciudadana LoRaWAN Se percibe cómo la señal se degrada en las zonas con más cantidad de edificios colindantes pero la potencia recibida es de -107 dBm, por lo que incluso en la peor de las circunstancias se podría transmitir. Tras esta segunda fase de cálculos de cobertura, se determina que se puede propagar la información de forma viable, siempre cerca de las estaciones base, cubriendo las necesidades de la red propia de IoT empleando la tecnología LoRa mediante seis estaciones base e incrementando el umbral del receptor para tener en cuenta posibles desvanecimientos. Se observa también que no es una red apropiada si se quiere dar servicio a terceros ya que la calidad de la señal en ciertos puntos alejados del transmisor no es adecuada. Sin embargo, el objeto de estudio de este Trabajo Fin de Grado era demostrar que en las inmediaciones de las instalaciones de la Universidad de Sevilla se podía dar servicio a estudiantes y profesores empleando una tecnología accesible económicamente y con numerosas ventajas, por lo que se considera el diseño como óptimo para cubrir las necesidades planteadas. 5.4 Aspectos económicos Evidentemente, el número de estaciones base determina el coste total del proyecto en un alto porcentaje. A menor cantidad de estaciones base a instalar, el coste de la red se reduce y menor número de antenas serán necesarias, a pesar de que la solución encontrada para la antena era asequible económicamente. Por otro lado, es importante dónde se colocan las estaciones debido a que si se instalan en un terreno privado se incrementará el precio por la cuota que se deberá abonar al dueño del terreno. En nuestro caso, se han ubicado en edificios propiedad de la Universidad de Sevilla por lo que no debería suponer ningún coste adicional al mantenimiento de estos. Se debe tener en cuenta la mano de obra para la instalación en general, pero LoRa proporciona ventajas para el mantenimiento una vez ya instaladas, pudiéndose realizar de forma remota y con una vida de baterías muy larga por lo que es otro punto a favor de la misma. Además, también se debe tener en cuenta el gasto que suponen las licencias para el uso de las bandas de frecuencias en las que se transmite. De nuevo, LoRa ofrece otra ventaja y es que se puede emitir en los 868 MHz que supone una banda de libre emisión por lo que no habría que pagar por ella a costa de que la potencia permitida para la transmisión es menor. Indiscutiblemente, una mayor calidad en el despliegue supone un coste más elevado. Después de todas las simulaciones realizadas a lo largo del proyecto, se ha determinado que LoRa posee una potencia menor pero una propagación muy elevada por lo que con pocas estaciones transmisoras se puede crear una red adecuada para poder transmitir llegando a satisfacer necesidades de la red casi al 100% de forma muy económica. Bibliografía 2