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==Guidance on LPWAN technology selection based on IoT
applications requirements==
https://ceur-ws.org/Vol-2988/SSN2020_paper_10.pdf
Guidance on LPWAN technology selection based on IoT
applications requirements
Eduardo Carrasco1 , Rodrigo Muñoz1 , Sandra Céspedes 1 2
1
Department of Electrical Engineering, Universidad de Chile, Chile
2
NIC Chile Research Labs, Universidad de Chile, Chile
eduardo.carrasco.g@ug.uchile.cl, rodrigo@niclabs.cl, scespedes@niclabs.cl
se verán afectados de alguna u otra forma con la inter-
conexión de sus dispositivos, siendo algunos de ellos la
Abstract agricultura, las smart cities, la energı́a (smart meters
y smart grids), el monitoreo industrial, la domótica,
The Internet of Things serves as a platform la telemedicina, el cuidado de la salud, el seguimiento
for the deployment of several applications, de objetos y un largo etcétera. Esto ha provocado la
each with a set of differents features. This aparición de las redes de baja potencia y área ampliada
project develops profiles of typical IoT appli- (LPWAN) que genera soluciones en alcance extendido,
cations to be tested using two LPWAN tech- larga duración de baterı́as y escalabilidad.
nologies: LoRaWAN and Sigfox. The pro- Hoy en dı́a, muchos desarrolladores que utilizan LP-
files of applications represent devices in Smart WAN se han inclinado en el uso de LoRaWAN como
Cities, e-Health, and Smart Farming, simu- red de comunicación, más de 500 compañı́as la han im-
lating its features in an experimental devel- plementado sin contar a las personas independientes
opment platform with a development board. que también lo han hecho [LA], mientras que Sigfox
The results shows better performance for Sig- busca convertirse en una red con cobertura mundial
fox, but it depends of the infrastructure of the para el Internet de las Cosas que la hace atractiva para
networks and the programming of the devices. la industria, esperando alcanzar los mil millones de dis-
With these tests, this project aims at propos- positivos conectados a su red en el año 2023 [Dah19].
ing a guidance for IoT developers that need En este proyecto se pretenden dar recomendaciones del
to choose the communication technology that uso de LoRaWAN o Sigfox como tecnologı́a LPWAN
better suits an IoT application. de comunicación por lı́neas de aplicación en base a re-
sultados experimentales de funcionamiento para tres
1 Introducción perfiles de tres aplicaciones distintas.
El Internet de las Cosas (en adelante, IoT por sus siglas LoRaWAN es el estándar LPWAN más utilizado
en inglés) es un concepto que ya se ha implementado y que cuenta con mayor cantidad de publicaciones
en el mundo actual siendo considerada como un actor [HDMH18]. La capa fı́sica trabaja bajo los fundamen-
fundamental de una nueva Revolución Industrial. La tos de LoRa (Long Range) que utiliza Chrip Spread
posibilidad de interconexión de dispositivos (Machine Spectrum como modulación. Se habla de LoRaWAN
to Machine, M2M), de compartir datos entre ellos sin cuando se agrega a esta tecnologı́a un protocolo MAC
intervención humana, entrega una gran gama de posi- que permite la configuración de una red de disposi-
bilidades que atraen la atención ante el paradigma tivos y que se estandarizó con la LoRa-Alliance. Por
IoT. Prácticamente todos los sectores de la industria otro lado, Sigfox utiliza una tecnologı́a con un ancho de
banda ultra delgado (Ultra NarrowBand ) que, según la
Copyright © 2020 for this paper by its authors. Use permitted región, va a ser de 100 Hz o de 600 Hz, dependiendo de
under Creative Commons License Attribution 4.0 International
(CC BY 4.0).
esto, puede alcanzar tasas de transmisión de 100 bps
In: Proceedings of the IV School of Systems and Networks (SSN
a 600 bps respectivamente. Sigfox utiliza para el up-
2020), Vitória, Brazil, December 14-15, 2020. Published at link la modulación D-BPSK, que le da caracterı́sticas
http://ceur-ws.org robustas ante el ruido y sensibilidad en largos alcances
[OKR19]. exitosamente y la intensidad de corriente eléctrica uti-
lizada por el dispositivo durante su funcionamiento.
2 Caracterización de aplicaciones IoT
Para encontrar los requerimientos de las aplicaciones 3 Resultados
IoT se recopilaron proyectos en las áreas de Cuidado Los resultados de las pruebas anteriores en fiabili-
de la Salud, Agricultura y Smart Cities publicadas en dad y duración de las baterı́as se resumen a contin-
la literatura. Con ello, se levantaron perfiles que car- uación, cabe destacar que las pruebas se realizaron en
acterizan estos rubros y se adecuaron cuatro pruebas un tiempo de 2 horas y media en el caso de aquellas
para simular cada uno de ellos. En la prueba 1, se pruebas que requerı́an mensajes por minuto. Durante
envı́an mensajes de 2 bytes cada minuto simulando 36 horas en el caso de la Prueba 2 y durante 5 dı́as en
el levantamiento de datos en el cuidado de la salud el caso de la Prueba 4. Los resultados en la fiabilidad
sin apagar el dispositivo (modo sleep) ya que el lev- se muestran en la tabla 2 y presentan el porcentaje de
antamiento de datos de estos sensores buscan estar éxito de los mensajes enviados a sus respectivas redes
activos todo el tiempo. La prueba 2 simula casos de o PDR (Packet Delivery Ratio).
Smart Farming, donde se levantan datos de varios sen-
sores en espacios de 30 minutos utilizando el modo de Sigfox LoRaWAN SF7 LoRaWAN SF12
espera deepsleep dejando el dispositivo en un consumo P1 100% 60.3% 97.8%
de muy baja potencia (alrededor de 5 mA). La prueba P2 100% 70.8% 89.3%
3 es para dispositivos que deben enviar su estado con- P3 100% 72.4% 97.2%
tinuamente, y, en la prueba 4, se simulan sensores que P4 100% 70% 100%
requieren enviar datos en espacios de tiempo más lar-
gos. Estas pruebas se resumen en la tabla 1. Table 2: Resultados de PDR para las cuatro pruebas
Prueba Largo Frecuencia Modo reposo Por otro lado, las pruebas en la duración de las
P1 2 Bytes 1 por minuto sleep baterı́as se midieron a través de un sensor de corri-
P2 10 Bytes Cada 30 min deepsleep ente que recolectaba los datos de corriente eléctrica de
P3 1 Byte 1 por minuto deepsleep la placa de desarrollo durante sus procesos, con esto se
P4 12 Bytes Cada 6 hrs. deepsleep puede estimar la duración de los dispositivos conforme
a la capacidad de las baterı́as utilizadas. La tabla 3
Table 1: Tabla de las pruebas a realizar muestra el consumo promedio en miliamperes en un
lapso de 1 hora para cada tecnologı́a.
Los datos anteriores se prueban a través de ruti-
nas implementadas en una LoPy4 que cuenta con cua- Sigfox LoRaWAN SF7 LoRaWAN SF12
tro estándares de comunicación inalámbrica, entre el- P1 120.73 119.97 121.69
las Sigfox y LoRa. Esta se configuró previamente P2 4.98 8.52 8.53
en el backend de Sigfox que contaba con una buena P3 14.01 15.37 17.37
señal promedio y se conectó a LoRaWAN utilizando la P4 3.58 3.66 4.03
plataforma abierta The Things Network (en adelante,
TTN), a la cual se accedı́a a través de una segunda Table 3: Consumo en miliamperes (mA) para cada
LoPy4 programada como nanogateway y ubicada a 300 prueba
metros del lugar de las pruebas. Se testearon las cua-
tro pruebas. Cada una de ellas para Sigfox, LoRaWAN
3.1 Análisis
con spreading factor 7 y LoRaWAAN con spreading
factor 12. En cada prueba se midió la fiabilidad de la Los resultados al medir la fiabilidad claramente mues-
transmisión y el uso de las baterı́as utilizadas. tran un exitoso desempeño en las transmisiones de la
Las pruebas realizadas en la LoPy4 para cada con- red Sigfox, logrando la llegada de todos los mensajes a
figuración (Sigfox y LoRaWAN con ambos Spread Fac- su backend, distinto al caso de LoRaWAN donde su de-
tors) consistió en la programación de los cuatro perfiles sempeño depende del Spread Factor utilizado, siendo
de la tabla 1 en la tarjeta de desarrollo para enviar los en promedio cercano al 70% en el caso de Spread Fac-
mensajes a su respectivo backend y ser decodificado tor 7 y llegando a 95% en promedio para Spread Fac-
conforme a la aplicación que se utilice. Este proceso tor 12. Y si bien esto podrı́a sugerir que una red se
se probó para Sigfox usando la infraestructura que da desempeña mejor que la otra, en realidad tiene que
cobertura a toda la zona urbana de Santiago de Chile y ver con las infraestructuras distintas con la que se
por LoRaWAN a través de un nanogateway ubicado a cuenta en ambos casos. Mientras que Sigfox tiene una
300 metros del dispositivo LoPy4 sin una lı́nea de vista red de varias estaciones base levantadas en la Región
directa, recopilando la cantidad de mensajes enviados Metropolitana dando cobertura prácticamente a todo
el sector urbano de la capital chilena, la red LoRaWAN • Tamaño de los datos: Se define el tamaño en
levantada para este experimento contó solo con un bytes que tendrán en promedio los datos.
nanogateway colocado al interior de una casa que le
brindaba conexión a través de WiFi, sin dejar la antena • Optimización de los datos: Dependiendo del
al exterior y sin posibilidades de utilizar Data Rate tipo de sensores, es posible que los datos puedan
Adaptativo al no ser multifrecuencias o para múltiples optimizarse, haciendo envı́os más pequeños y con
Spread Factors. la información suficiente.
Por otro lado, el consumo energético de los nodos
• Frecuencia de los mensajes: Se define la fre-
es similar en ambas redes, siendo en general levemente
cuencia de envı́o de los datos generados.
mayor en el caso de LoRaWAN y que al ponerlo en
una perspectiva larga en el tiempo arroja mayor du- • Downlink: Es necesario definir si la aplicación
ración para la conexión a Sigfox. Esto puede deberse al requiere de mensajes provenientes de la red al dis-
comportamiento energético al momento de enviar un positivo.
mensaje que, en promedio, es levemente menor para el
caso de Sigfox que en LoRaWAN. Cabe destacar que el • Latencia: Hay aplicaciones que requieren de
uso de perı́odos de deepsleep en tarjetas de desarrollo tiempos de respuesta muy rápidas, si ese es el caso
como LoPy4 puede entregar niveles de corriente en el se requiere de bajas latencias en la comunicación.
orden de los microamperes, generando usos de baterı́a
más prolongados en el tiempo. 4.2 Parte 2: Aplicaciones de Alto Throughput
4 Guı́a de selección de redes Con las definiciones anteriores de la aplicación se
puede realizar la primera selección. Si la aplicación
inalámbricas tiene un gran tamaño de datos (sobre los 500 Bytes),
Como aporte final, a partir de la revisión de la liter- una alta frecuencia de envı́o de mensajes (en el or-
atura y de los experimentos con perfiles, se propone den de segundos) o requiere de bajas latencias (en el
una guı́a para la selección de tecnologı́as de comuni- orden de milisegundos), entonces se deben utilizar tec-
cación para desarrolladores de aplicaciones IoT. Se di- nologı́as de comunicación de alto throughput, como
vide en tres partes principales descritas a continuación. WiFi, Bluetooth, o las redes celulares 3G/4G (y 5G
en el futuro próximo). En el caso contrario, las redes
4.1 Parte 1: Definiciones de la Aplicación LPWAN pueden ser una solución.
4.3 Parte 3: Selección de LPWAN
La elección de una LPWAN, especı́ficamente entre Sig-
fox y LoRaWAN va a depender de puntos más es-
pecı́ficos de la aplicación, ambas van a cumplir con los
requerimientos generales, sin embargo, hay que tener
en cuenta los siguientes puntos para su elección:
• Infraestructura: La red Sigfox cuenta con esta-
ciones base en zonas especı́ficas, si no se cuenta
con cobertura, se debe optar por otra red LP-
WAN como lo puede ser LoRaWAN que permite
el levantamiento de cobertura con un gateway que
cuente con conexión a Internet.
Figure 1: Partes de una Aplicación IoT • Cantidad de mensajes y tamaño: Se debe
Generalmente, un dispositivo IoT cuenta con una tener en cuenta la limitación diaria de mensajes
CPU, sensores, actuadores y una tecnologı́a de comu- en Sigfox (140 mensajes diarios en uplink y 4 en
nicación, como se representa en la figura 1. Con esto downlink), que puede ser insuficiente en algunos
se proponen los siguiente puntos que ayuden a definir casos y también el tamaño (hasta 12 bytes), Lo-
la tecnologı́a a utilizar. RaWAN no tiene un lı́mite definido, sin embargo,
no se recomienda el uso de una gran cantidad de
• Datos a enviar: Se debe definir el tipo de mensajes ya que puede provocar colisiones entre
dato a enviar, sean fotos, videos, audio, data al- dispositivos en una misma zona y bajar la fiabili-
fanumérica u otro. dad.
• Fiabilidad: Los resultados indican que zonas con
buena cobertura Sigfox entrega muy buenos re-
sultados en fiabilidad al contrario de LoRaWAN.
Se recomienda estimar la fiabilidad permitida por
cada dispositivo, y en casos crı́ticos, preferir aque-
lla que entregue mayor confianza.
• Baterı́a: Los resultados de este experimento en-
trega mejores resultados en Sigfox para el uso de
las baterı́as, sin embargo, estos van a depender
de la programación del dispositivo, los sensores y
actuadores utilizados y el ahorro de energı́a en los
tiempos de reposo para una mayor duración.
5 Conclusiones
Este trabajo muestra que las redes LPWAN son tec-
nologı́as de comunicación inalámbrica competitivas
para las aplicaciones IoT, su utilización depende en
gran medida de la infraestructura y de la programación
realizada en los dispositivos finales. Se elaboró una
guı́a para facilitar a los desarrolladores la elección de
la tecnologı́a LPWAN que mejor se ajusta a las necesi-
dades de las aplicaciones IoT. Para este proyecto, los
mejores resultados se vieron en Sigfox, sin embargo,
las condiciones varı́an conforme a la cobertura y a la
disposición de los dispositivos. Por lo que como tra-
bajo futuro se propone realizar pruebas en cobertura,
movilidad y generar opciones de ahorro energético para
usos largos en el tiempo.
6 Agradecimientos
Este proyecto ha sido apoyado por el Proyecto ANID
FONDECYT 1201893 y por el Proyecto ANID Basal
FB0008.
References
[Dah19] N. Dahad. A billion devices con-
nected to sigfox ‘attainable’ by 2023,
noviembre 2019. Disponible en:
https://www.eetasia.com/A-Billion-
Devices-Connected-to-Sigfox-Attainable-
by-2023/.
[HDMH18] H. Haxhibeqiri, E. De Poorter, I. Moer-
man, and J. Hoebeke. A survey of lorawan
for iot: From technology to application.
SENSORS, 2018.
[LA] LoRa-Alliance. What is the lorawan spec-
ification?
[OKR19] L. Oliveira, S. Kozlov, and R. Rabêlo. Mac
layer protocols for internet of things: A
survey. Future Internet, 11(1), 2019.