Comparación de una red LoRaWAN con modelos
de propagación en un entorno con vegetación
de soja
Comparison of a LoRaWAN network with propagation models in a soybean vegetation
environment
Adrián Jaszczyszyn
#1
, Marcelo Guiguet
#2
, Hugo Ramón
#3
#
Instituto de Investigación y Transferencia en Tecnología - Universidad
Nacional del Noroeste de la Provincia de Buenos Aires - Argentina
1
adrian.jaszczyszyn@itt.unnoba.edu.ar
2
marcelo.guiguet@itt.unnoba.edu.ar
3
hugo.ramon@itt.unnoba.edu.ar
Resumen— Las redes LPWAN son sistemas inalámbricos de
bajo consumo energético y gran alcance, diseñadas
principalmente para conectar dispositivos de Internet de las
Cosas (IoT) a la red. En el sector agroindustrial, el IoT está
revolucionando la industria a través de la implementación de
técnicas avanzadas de agricultura inteligente o de precisión.
Una de las tecnologías clave para alcanzar este objetivo es
LoRa, junto con la arquitectura de red LoRaWAN, aplicada en
prácticas agrícolas tradicionales. El presente trabajo analiza la
comparación de mediciones realizadas por nodos ubicados a
diferentes alturas en relación con un gateway, evaluando
diversos modelos de pérdidas de propagación, además de
modelos específicos que consideran el exceso de vegetación.
Todo esto en una infraestructura basada en LoRaWAN, dentro
de un entorno rural dedicado al cultivo de soja.
Palabras clave: IoT; LoRaWAN; modelos de propagación con
vegetación.
Abstract— LPWAN networks are low-power, long-range
wireless systems, primarily designed to connect Internet of
Things (IoT) devices to the network. In the agro-industrial
sector, IoT is revolutionizing the industry through the
implementation of advanced smart or precision agriculture
techniques. One of the key technologies to achieve this goal is
LoRa, together with the LoRaWAN network architecture,
applied in traditional agricultural practices. This work
analyzes the comparison of measurements made by nodes
located at different heights in relation to a gateway, evaluating
various propagation loss models, as well as specific models that
consider excess vegetation. All this in a LoRaWAN-based
infrastructure, within a rural environment dedicated to
soybean cultivation.
Keywords: IoT; LoRaWAN; propagation models with
vegetation.
I. INTRODUCCIÓN
Las tendencias actuales y las oportunidades emergentes
en el ámbito de IoT para el área agroindustrial están
vinculadas a la adopción de tecnologías de redes de área
amplia de bajo consumo (Low Power Wide Area Networks,
LPWAN). Estas soluciones se destacan por ofrecer bajas
tasas de transmisión de datos, coste reducido, extensos
rangos de cobertura y bajo consumo energético. Entre las
distintas tecnologías LPWAN disponibles, LoRaWAN
ofrece, además de las características mencionadas, la ventaja
de basarse en un estándar abierto, proporcionar seguridad
integrada y permitir implementaciones privadas.
Según la documentación oficial de la LoRa Alliance® y
Semtech [1][2], LoRaWAN es un protocolo de
comunicación basado en un estándar abierto para la capa de
acceso, mantenido por la LoRa Alliance®. Este protocolo
define tanto la comunicación como la arquitectura de red.
La capa física LoRa emplea una técnica de modulación de
espectro ensanchado derivada del Chirp Spread Spectrum
(CSS), facilitando la comunicación de largo alcance para
redes de dispositivos inalámbricos de bajo consumo [2]. La
modulación LoRa permite ajustar tres parámetros que
influyen en el desempeño del enlace de comunicación:
BandWidth (BW), Spread Factor (SF) y Coding Rate (CR)
[3].
LoRa utiliza seis factores de propagación (SF7 a SF12), y
la combinación de diferentes SF y BW resulta en diversas
tasas de datos, Data Rate (DR). El SF establece un
equilibrio entre la velocidad de transmisión de datos y el
rango de cobertura. Un SF mayor, reduce la velocidad de
datos pero aumenta el alcance, incrementando el tiempo en
el aire y el consumo energético, mejorando la resistencia a
interferencias y distancias más largas. Además, junto con
estos factores de propagación, se aplican técnicas de
corrección de errores que mejoran la sensibilidad del
receptor. La selección de valores más altos para SF y CR
afecta el tiempo de ocupación del canal [3][4]. LoRa ofrece
tres valores de BW: 125 kHz, 250 kHz y 500 kHz [5], así
como cuatro valores posibles de CR: 1, 2, 3 y 4,
correspondientes a las tasas de codificación 4/5, 4/6, 4/7 y
4/8, respectivamente. La codificación reduce la tasa de
Revista elektron, Vol. 8, No. 2, pp. 100-106 (2024)
ISSN 2525-0159
101
Recibido: 30/09/24; Aceptado: 02/12/24
https://doi.org/10.37537/rev.elektron.8.2.203.2024
Original Article
errores de paquetes y añade símbolos de control para
detectar e incluso poder determinar los valores correctos.
En una red LoRaWAN la inteligencia y la complejidad se
centra en el servidor de red o network server, quien es el que
administra la red, como muestra la Fig. 1. Los nodos no
están asociados con un gateway específico y cada gateway
reenvía el paquete recibido por el nodo al servidor de red a
través de alguna red celular, Ethernet o WiFi. El servidor de
red filtra los paquetes recibidos redundantes, realiza las
verificaciones de seguridad y es el que envía los datos hacia
el servidor de aplicación [2].
LoRaWAN define el protocolo de comunicación que
permite la administración de la comunicación entre los
distintos gateways y los nodos. El protocolo y la
arquitectura de la red tienen la mayor influencia en la
determinación de la vida útil de la batería de un nodo, la
capacidad de la red, la calidad del servicio, la seguridad y
las distintas posibilidades de conexión a aplicaciones [2].
Fig. 1. Arquitectura de la red LoRaWAN
LoRaWAN permite dos tipos de activaciones de un nuevo
nodo que se une a la red, Activation By Personalization
(ABP) es el modo más sencillo y Over-The-Air-Activation
(OTAA) es la manera más segura de conectarse a la red y la
recomendada. A su vez, la comunicación es bidireccional y
existen tres tipos de clases de nodos: Clase A: Es ideal para
dispositivos que utilizan batería, debido a que solo escuchan
con un par de ventanas de recepción luego de enviar datos.
Clase B: Este tipo de dispositivos tienen las ventanas de
recepción en base a tiempos predeterminados con el
gateway, permite reducir la latencia y optimizar el uso de
batería. Clase C: Esta clase de nodo ofrece el menor ahorro
de energía debido a que se encuentra la mayor parte en
modo escucha, de esta manera está preparado para
minimizar la latencia de los mensajes. LoRaWAN fue
pensado y diseñado para operar en la banda de frecuencias
no licenciadas para aplicaciones industriales, científicas y
médicas (ISM) y en Argentina opera en la banda AU915.
En los sistemas de comunicación inalámbrica, la señal
emitida por la antena del transmisor experimenta múltiples
transformaciones a lo largo de su trayectoria por el medio de
propagación, llegando al receptor sólo una pequeña parte de
la señal original, dado que en los sistemas de
radiofrecuencia intervienen fenómenos como la reflexión, la
difracción y la dispersión, los cuales afectan la propagación
de la señal recibida. Para caracterizar este comportamiento,
se utilizan los modelos de propagación, que consisten en un
conjunto de expresiones matemáticas, diagramas y
algoritmos que describen cómo se comporta la transmisión
de radio en un entorno dado. Existen diferentes tipos de
modelos para predecir la atenuación de señales. Los
modelos empíricos se basan en observaciones y experiencias
previas, proporcionando fórmulas que se ajustan de manera
general al entorno de interés. Por otro lado, los modelos
deterministas emplean principios físicos para calcular la
atenuación, proporcionando resultados basados en leyes
físicas en ese entorno particular [6][7][8].
La recomendación UIT-R P.525-4 [9], última aprobada y
puesta en vigor en agosto de 2019, para el cálculo de la
atenuación en el espacio libre, indica que para enlaces punto
a punto, la pérdida básica de transmisión en el espacio libre
se expresa como:
(1)
donde, L
bf
: pérdida básica de transmisión en el espacio
libre y d: distancia , λ: longitud de onda; se expresan en las
mismas unidades.
El L
bf
se expresa en decibelios (dB) y puede representarse
en función de la frecuencia en lugar de la longitud de onda
[8][10], y se formula de la siguiente manera:
(2)
donde, f: frecuencia en megahercio (MHz) y d: distancia
en kilómetros (km).
Otro modelo es el de reflexión terrestre de dos rayos o
también conocido como Two-Ray Model Path Loss, se
fundamenta en los principios de la óptica geométrica y
considera el componente de la transmisión directa desde el
transmisor al receptor y el componente de reflexión en la
superficie terrestre. La ecuación incorpora la distancia entre
las antenas del transmisor y el receptor y las alturas de la
antenas expresadas en metros, como muestra la ecuación:
(3)
En presencia de vegetación, el modelo de espacio libre o
el modelo de reflexión terrestre de dos rayos no predicen
adecuadamente la atenuación del canal. Esto se debe a la
obstrucción causada por cultivos o árboles, que puede
provocar que la señal se refleje, se difracte o se disperse,
resultando en un desvanecimiento de la señal. Además,
factores como los cambios en la densidad de la vegetación,
el movimiento de los componentes vegetales, y condiciones
ambientales como el viento, la lluvia y la humedad, también
influyen en la atenuación de la señal [8].
Para predecir la pérdida de la señal de propagación en
presencia de vegetación, se utilizan modelos de propagación
Revista elektron, Vol. 8, No. 2, pp. 100-106 (2024)
ISSN 2525-0159
102
http://elektron.fi.uba.ar