Una solución basada en LoRa para comunicaciones multimedia en entornos extremos

Abstract

[ES] Las redes LPWANs (Low Power Area Networks) se han implantado como las tecnologías habilitadoras que permiten conectar dispositivos en entornos de difícil acceso como pueden ser montañas, lagos o zonas rurales, para las cuales es necesario disponer de redes de comunicaciones donde la densidad de población es escasa y las redes celulares resultan costosas de instalar.

A pesar de que las redes celulares y satelitales permiten enviar una gran cantidad de datos gracias a su ancho de banda, una de las desventajas más evidentes de su uso son sus elevados costes de implantación y mantenimiento. Por otro lado, en entornos donde no se requieren elevadas tasas de transferencia, las redes LPWAN han surgido para afrontar la problemática de proporcionar áreas de cobertura para la interconexión de dispositivos del entorno IoT con un bajo consumo energético.

Los inconvenientes asociados a este tipo de redes vienen dados por el ancho de banda tan reducido del que disponen, ya que están ideados para enviar cargas de datos útiles de pocos bytes de información.

Es en este punto donde este Trabajo Fin de Máster pretende cubrir dicha necesidad proponiendo una infraestructura de comunicaciones basada en la tecnología LoRa que permitirá el envío de información multimedia de mayor tamaño a larga distancia. Para ello, se ha diseñado y mejorado un protocolo de control de transmisión de datos basado en el método stop-and-wait ARQ que permite particionar la carga útil de datos en paquetes LoRA. Seguidamente, se ha realizado la implementación de la lógica de aplicación del nodo LoRa para permitir enviar y recibir mensajes de gran tamaño, a través un servidor HTTP instalado en el propio nodo y una interfaz API bien definida. Por ultimo, se ha validado la solución ideada con la implementación de una aplicación móvil multi-plataforma que permite enviar y recibir datos multimedia a través de una conexión WiFi con el nodo.

La evaluación del sistema ha dado como resultado una solución que permite el envío de datos de gran tamaño a través de LoRa con una cierta confiabilidad y unos tiempos razonables para la tasa de transferencia tan limitada de la que dispone la propia tecnología de red. De la evaluación se desprenden algunos trabajos futuros como la reconfigurabilidad del factor de dispersión LoRa o la inclusión de algoritmos de compresión.

[EN] LPWANs (Low Power Area Networks) have been deployed as enabling technologies to connect devices in hard-to-reach environments such as mountains, lakes or rural areas, for which communications networks are needed where population density is low and cellular networks are costly to install.

Although cellular and satellite networks allow large amounts of data to be sent thanks to their bandwidth, one of the most obvious disadvantages of their use is their high implementation and maintenance costs. On the other hand, in environments where high transfer rates are not required, LPWANs have emerged to address the problem of providing coverage areas for the interconnection of IoT devices with low power consumption.

The drawbacks associated with this type of networks are given by the very low bandwidth they have, since they are designed to send payloads of few bytes of information.

It is at this point where this Master's Thesis aims to cover this need by proposing a communications infrastructure based on LoRa technology that will allow the sending of larger multimedia information over long distances. For this purpose, a data transmission control protocol based on the stop-and-wait ARQ method has been designed and improved to partition the data payload into LoRA packets. Next, the application logic of the LoRa node has been implemented to allow sending and receiving large messages, through an HTTP server installed in the node itself and a well-defined API interface. Finally, the solution has been validated with the implementation of a multi-platform mobile application that allows sending and receiving multimedia data through a WiFi connection with the node.

The evaluation of the system has resulted in a solution that allows the sending of large data through LoRa with a certain reliability and reasonable times for the very limited transfer rate available in the network technology itself. Future work such as the reconfigurability of the LoRa Spreading Factor or the inclusion of compression algorithms can be derived from the evaluation.