Extendiendo LoRaWAN: Arquitectura de Malla y Análisis de Rendimiento para Conectividad IoT de Largo Alcance en Entornos Marítimos
Autores: Cruz, Nuno; Mendes, Carlos; Cota, Nuno; Esteves, Gonçalo; Pinelo, João; Casaleiro, João; Teixeira, Rafael; Lobo, Leonor
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
2025
Extendiendo LoRaWAN: Arquitectura de Malla y Análisis de Rendimiento para Conectividad IoT de Largo Alcance en Entornos Marítimos
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería de Sistemas
Palabras clave
Lora
Malla
Puerta de enlace
Nodos
Marítimo
Conectividad
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 29
Citaciones: Sin citaciones
Una arquitectura de aplicación LoRaWAN comprende tres componentes funcionales: (i) nodos, que convierten y transmiten datos de forma inalámbrica como mensajes LoRaWAN; (ii) gateways, que reciben y reenvían estas transmisiones; y (iii) servidores de red, que procesan los datos recibidos para la entrega de aplicaciones. Los nodos convierten los datos en mensajes LoRaWAN y los transmiten de forma inalámbrica con la esperanza de que uno o más gateways LoRaWAN reciban los mensajes con éxito. Luego, los gateways envían los mensajes recibidos a un servidor de red distante, donde ocurren varios pasos de procesamiento antes de que los mensajes sean reenviados a la aplicación final. Si ninguno de los gateways puede recibir los mensajes, entonces se perderán. Aunque este comportamiento predeterminado es adecuado para algunas aplicaciones, hay otras donde asegurar que los mensajes se entreguen con éxito a una tasa más alta sería útil. Un escenario de este tipo es la aplicación en este documento: monitoreo de embarcaciones marítimas y equipos de pesca en entornos marinos caracterizados por conectividad costera intermitente o ausente. Para abordar este desafío, se inició el proyecto Custodian para desarrollar una solución de monitoreo marítimo con capacidades de conectividad mejoradas. Dos características adicionales son especialmente bienvenidas en este escenario. La característica más importante es la transmisión de mensajes creados en áreas marinas a usuarios finales que están en alta mar, independientemente de la falta de disponibilidad del servidor de red terrestre. Un ejemplo serían los pescadores que están en alta mar y desean posicionar su equipo de pesca, también en alta mar, basándose en datos de ubicación transmitidos desde nodos a través de LoRaWAN, incluso cuando ambas entidades están lejos de la costa. El segundo aspecto se refiere al uso potencial de comunicaciones de gateway a gateway, a través de gateways en varios barcos, para transmitir mensajes a la costa. Esta configuración permite que el equipo de pesca y las embarcaciones de pesca sean monitoreados desde la costa, incluso en ausencia de una conexión directa. Las limitaciones funcionales de los gateways comerciales convencionales hicieron necesaria la conceptualización e implementación de C-Mesh, una nueva arquitectura de retransmisión que extiende la funcionalidad de LoRaWAN más allá de las implementaciones de protocolo estándar. C-Mesh se integra con el ecosistema Custodian, junto con dispositivos C-Beacon y C-Point, mientras mantiene una compatibilidad transparente con los componentes de infraestructura LoRaWAN estándar a través de la emulación de gateways conforme al protocolo. Así, se garantiza la compatibilidad tanto con nodos y gateways comercialmente disponibles como con aquellos ya en despliegue. Proporcionamos una descripción completa de C-Mesh, describiendo su arquitectura de hardware (comunicaciones, energía y capacidades de auto-monitoreo) y su capacidad de procesamiento de datos (filtrado de mensajes duplicados, seguridad y cifrado). Las pruebas en el mar realizadas a bordo de un barco pesquero comercial en Sesimbra, Portugal, demostraron que C-Mesh es efectivo. Los mensajes de ubicación derivados del equipo de pesca dejado en el mar fueron recibidos por un usuario final a bordo del barco pesquero, independientemente del servidor de red en tierra. Además, las pruebas de campo demostraron que un solo despliegue de C-Mesh funcionando como repetidor de señal en un barco con una elevación de antena sobre el nivel del mar logró una extensión de cobertura cuantificable de 13 km (representando un aumento del 20% en el rango de transmisión efectivo), demostrando la capacidad de C-Mesh para aumentar la cobertura de LoRaWAN.
Descripción
Una arquitectura de aplicación LoRaWAN comprende tres componentes funcionales: (i) nodos, que convierten y transmiten datos de forma inalámbrica como mensajes LoRaWAN; (ii) gateways, que reciben y reenvían estas transmisiones; y (iii) servidores de red, que procesan los datos recibidos para la entrega de aplicaciones. Los nodos convierten los datos en mensajes LoRaWAN y los transmiten de forma inalámbrica con la esperanza de que uno o más gateways LoRaWAN reciban los mensajes con éxito. Luego, los gateways envían los mensajes recibidos a un servidor de red distante, donde ocurren varios pasos de procesamiento antes de que los mensajes sean reenviados a la aplicación final. Si ninguno de los gateways puede recibir los mensajes, entonces se perderán. Aunque este comportamiento predeterminado es adecuado para algunas aplicaciones, hay otras donde asegurar que los mensajes se entreguen con éxito a una tasa más alta sería útil. Un escenario de este tipo es la aplicación en este documento: monitoreo de embarcaciones marítimas y equipos de pesca en entornos marinos caracterizados por conectividad costera intermitente o ausente. Para abordar este desafío, se inició el proyecto Custodian para desarrollar una solución de monitoreo marítimo con capacidades de conectividad mejoradas. Dos características adicionales son especialmente bienvenidas en este escenario. La característica más importante es la transmisión de mensajes creados en áreas marinas a usuarios finales que están en alta mar, independientemente de la falta de disponibilidad del servidor de red terrestre. Un ejemplo serían los pescadores que están en alta mar y desean posicionar su equipo de pesca, también en alta mar, basándose en datos de ubicación transmitidos desde nodos a través de LoRaWAN, incluso cuando ambas entidades están lejos de la costa. El segundo aspecto se refiere al uso potencial de comunicaciones de gateway a gateway, a través de gateways en varios barcos, para transmitir mensajes a la costa. Esta configuración permite que el equipo de pesca y las embarcaciones de pesca sean monitoreados desde la costa, incluso en ausencia de una conexión directa. Las limitaciones funcionales de los gateways comerciales convencionales hicieron necesaria la conceptualización e implementación de C-Mesh, una nueva arquitectura de retransmisión que extiende la funcionalidad de LoRaWAN más allá de las implementaciones de protocolo estándar. C-Mesh se integra con el ecosistema Custodian, junto con dispositivos C-Beacon y C-Point, mientras mantiene una compatibilidad transparente con los componentes de infraestructura LoRaWAN estándar a través de la emulación de gateways conforme al protocolo. Así, se garantiza la compatibilidad tanto con nodos y gateways comercialmente disponibles como con aquellos ya en despliegue. Proporcionamos una descripción completa de C-Mesh, describiendo su arquitectura de hardware (comunicaciones, energía y capacidades de auto-monitoreo) y su capacidad de procesamiento de datos (filtrado de mensajes duplicados, seguridad y cifrado). Las pruebas en el mar realizadas a bordo de un barco pesquero comercial en Sesimbra, Portugal, demostraron que C-Mesh es efectivo. Los mensajes de ubicación derivados del equipo de pesca dejado en el mar fueron recibidos por un usuario final a bordo del barco pesquero, independientemente del servidor de red en tierra. Además, las pruebas de campo demostraron que un solo despliegue de C-Mesh funcionando como repetidor de señal en un barco con una elevación de antena sobre el nivel del mar logró una extensión de cobertura cuantificable de 13 km (representando un aumento del 20% en el rango de transmisión efectivo), demostrando la capacidad de C-Mesh para aumentar la cobertura de LoRaWAN.