Pruebas de comunicación LoRaWAN: conseguido enlace de 7,2 km

Estos días he estado de vacaciones en Galicia, donde he podido seguir con las pruebas de alcance con tecnología LoRa. Estas pruebas consistieron en la repetición de la efectuada en Santiponce el pasado mes de mayo, pero sustituyendo la orografía prácticamente plana de Sevilla por una zona montañosa de las cercanías de Pontevedra.

En realidad, se realizaron dos pruebas distintas: una de corto alcance, y una de largo alcance. En ambos casos se utilizaron los siguientes elementos y escenario:

• Escenario de pruebas: La prueba consistió en la transmisión de datos de un pulsómetro Bluetooth LE a un servidor MQTT, donde se volcarían las pulsaciones registradas, junto con el RSSI de la transmisión, para su posterior consumo por terceros sistemas. Para ello, se hacía uso de un emisor Heltec Lora 32, con capacidad BLE y LoRa, que sería el encargado de recibir la información del pulsómetro, cifrarla y transmitirla vía LoRa al gateway LoRaWAN. Éste último recibiría la señal del emisor, la decodificaría, calcularía el RSSI e inyectaría la información resultante en formato JSON en un servidor MQTT. Por último, se preparó un servidor Grafana para representar gráficamente la información de las pulsaciones recibidas.
• Dispositivo emisor: Como se ha comentado, consiste en un conjunto de sensor de pulsaciones BLE, que envía la información al dispositivo Heltec Lora 32 a 433 MHz. Para mejorar el alcance del dispositivo, se le ha dotado de una antena de 7 dBi, ubicada en el techo de un coche para poder realizar pruebas en movilidad. La información se envía codificada en hexadecimal para necesitar menos bytes a la hora de poner los datos en el aire.
  

  

• Dispositivo receptor: El dispositivo receptor consiste en un segundo Heltec Lora 32, que recibe la información enviada por el emisor, decodifica la información, calcula el RSSI -que nos da información sobre la calidad del enlace realizado- compone un JSON con ambos parámetros, e inyectar el mismo en un servidor MQTT. Como en el caso del emisor, se ha reemplazado la antena de fábrica por una antena de 7 dBi, emplazada para las pruebas en una ubicación en altura.

  

• Cliente MQTT: Para obtener una primera verificación de los datos obtenidos, se utiliza un cliente MQTT en un teléfono Android, suscrito al topic en el que se vuelcan los datos por parte del gateway. Un ejemplo de la visualización de los datos se puede observar en la siguiente imagen:
  

  

• Visualización de datos en Grafana: Además de la primera visualización de datos en el cliente MQTT, se preparó un servidor Grafana para visualizar los datos volcados en el MQTT, y representar una gráfica con los datos de las pulsaciones. Esta representación, además de proporcionar de una manera gráfica en un solo vistazo el histórico de datos recibidos, permitió también dilucidar -a posteriori- si algunos problemas de falta de recepción de datos en el cliente MQTT se debían a carencia de enlace LoRa o a falta de conexión de datos desde el cliente MQTT. Para nuestra sorpresa, estos problemas se debieron a lo segundo, y no a lo primero. Una muestra de la visualización de datos obtenida:
  

  

Éste sería un esquema de los dispositivos implicados y las comunicaciones entre ellos:

Una vez definido el escenario y elementos de prueba, pasé a definir las pruebas propiamente dichas. Estimé conveniente realizar una primera prueba de corto alcance en las cercanías, y en caso de obtener éxito en la misma, pasar a una segunda de largo alcance.

Prueba de corto alcance. 3,08 km

La prueba de corto alcance consistió en un enlace de una distancia estimada de unos 3 kms, desde una casa situada en la aldea de Vilarchán -Puente Caldelas- hasta el monte de La Fracha, donde se encuentran una serie de antenas y repetidores de radio y televisión. La idea era observar cómo de fiable era la transmisión en este entorno de montaña, con visibilidad directa desde el emisor al receptor, pero con obstáculos consistentes en otras viviendas, zonas arboladas y, en determinados tramos, la propia mole rocosa de la montaña.

EL objetivo de esta prueba era calibrar el impacto esperable de la diferencia de orografía entre Santiponce y Vilarchán, para determinar el impacto de la misma en la transmisión. Hay que tener en cuenta que en el caso de Santiponce se había observado que se podía obtener, con el mismo equipo de pruebas, un enlace confiable de 4,5 km, y hasta 5,3 km de manera esporádica.

Salimos de Vilarchán con el emisor funcionando, y pronto se perdió la señal, apenas al llegar a la carretera de Pontevedra a Puente Caldelas. Durante todo el trayecto, pasando por el polígono de La Reigosa y la subida a la Fracha, hasta las cercanías del polvorín, no se recibió señal alguna. Una primera decepción. Bajamos del coche y empezamos a andar, camino de las antenas, por la parte de la montaña contraria a la casa. Y ahí, sorpresa, empezamos a recibir datos, si bien con un RSSI muy débil, de -131. Una primera medición de distancia nos dio 3,01 km de distancia en línea recta al emisor, pero con toda la ladera del monte obstaculizando la señal. Proseguimos el ascenso hasta las antenas, sin perder recepción de datos en ningún momento, y con la calidad de la señal mejorando a medida que salíamos de la sombra de la montaña, y ganábamos en línea de visión directa hacia el emisor.

Realizamos el ascenso a las antenas por la ladera que daba hacia la zona de la casa. Al llegar a las mismas, siempre sin perder la señal, obtuvimos un enlace de 3,08 km, con un mejor RSSI de -111. Como valor comparativo, en la misma casa y a unos 5 metros de distancia, el RSSI rondaba los -85. En cuanto a la visibilidad, se puede considerar casi directa, y el casi es porque hay algunas edificaciones que se interponen entre el punto donde estaba ubicado el receptor, y el punto donde nos encontrábamos.

Tras verificar durante un rato de la estabilidad de la conexión, y disfrutar un poco de las vistas, emprendimos el descenso hasta el vehículo, si bien esta vez por la ladera opuesta, que dispone de un camino que facilitaba la bajada, y que además nos permitía determinar en qué punto la mole del monte obstaculizaba la señal hasta que ésta se perdiera.

Durante un buen rato de descenso se mantuvo la recepción de la señal, si bien con deterioros del RSSI paulatinos. Perdimos la señal a una distancia de 2,81 km del receptor, si bien con toda la ladera interpuesta entre nosotros y el gateway receptor. Sin embargo, al llegar al coche, volvimos a recuperar la señal, que ya no volvimos a perder en todo el trayecto de vuelta hasta la casa, en gran contraste con la observación realizada a la ida, donde pronto se perdió la señal. Posteriormente, y tras analizar los datos reflejados en Grafana, pudimos ver que en realidad el en trayecto de ida nunca se llegó a perder la señal LoRa entre emisor y receptor, sino que habíamos tenido un problema de falta de datos en el teléfono con el cliente MQTT, que había provocado una desconexión con el servidor MQTT -y una aparente pérdida de datos-. Es decir: que salvo en un punto muy localizado de La Fracha, habíamos tenido enlace LoRa casi de manera constante y sin pérdida de datos, pese a las dificultades del terreno, zonas boscosas y construcciones interpuestas. Una primera prueba sumamente satisfactoria.

Prueba de largo alcance. 7,2 km

La segunda prueba era la verdaderamente significativa: intentar un enlace directo con un grupo de antenas de radio, ubicadas a una distancia aproximada de 7 kilómetros, con línea directa de visión, en torno a un 60% más de distancia que las pruebas efectuadas en Santiponce.

Si bien la distancia en línea recta entre ambas ubicaciones ronda los 7 km, es preciso realizar unos 13 km de recorrido para poder llegar de la una a la otra, debido a orografía del terreno y las vías de comunicación existentes, como se puede apreciar en el recorrido de etapa trazado en Google Earth:

Para esta segunda prueba movimos la ubicación del receptor a una ventana con visibilidad directa de la zona de pruebas, con el objetivo en mente de dirigirnos a una zona de repetidores ubicada en el Monte Catadoiro, cerca de Rebordela. La diferencia es que esta vez podríamos ir directamente con el coche hasta la zona escogida. Dicho y hecho, salimos en dirección Puente Caldelas. Y al igual que en la primera prueba, perdimos la recepción de datos justo al llegar a la carretera. Y al igual que en el caso anterior, estuvo motivada por la pérdida de datos del teléfono Android. Al llegar a las antenas, pudimos ver que el cliente MQTT se había desconectado. Y al volver a conectar… ¡éxito! Los paquetes llegaban sin pérdida, y con un RSSI espectacularmente bueno, de -115 en el mejor de los casos. Tras las pertinentes comprobaciones, verificamos que habíamos logrado un enlace de 7,23 km con línea directa de visión.

Estuvimos un rato en las antenas, observando el comportamiento de los datos: sin pérdidas, y con un RSSI que hace pensar que es posible mantener distancias aún mayores de manera confiable. Si no pudimos ir más lejos fue porque la montaña ya no daba para más. 😀 Disfrutamos un rato de las vistas, y poco después emprendimos el regreso.

Y de nuevo la sorpresa vino en el trayecto de vuelta. Durante todo el recorrido, de casi 14 kilómetros, por zonas boscosas, sin visibilidad directa, con laderas, bosques y pueblos entre medias, no se perdió la señal en ningún momento, como pudimos verificar consultando Grafana. Esto incluye el paso por Puente Caldelas, en la más profundo del valle del Río Verdugo, y en un entorno completamente urbano y sin visibilidad directa, a más de 5,5 km de distancia desde el gateway; y también en la central hidroeléctrica de Hidrofreixa, a 5’3 km, aunque en este caso con visibilidad directa.

En lo referente a los datos de Grafana, en esta captura se ven las gráficas de pulsaciones:

Por cierto, que en realidad mis pulsaciones no son tan altas, sino que he observado que mientras no empiezo a sudar en serio el pulsómetro muestra exceso de pulsaciones al alza. En cuanto a los huecos, el correspondiente a las 16:48 a las 16:57 es una de las zonas de sombra de La Fracha, lo mismo que el de pasadas las 17:30. El de las 17:46 a las 18:03 corresponde al tiempo entre prueba y prueba (con cambios de ubicación de antenas y resto de elementos), y los dos huecos posteriores a momentos en que el pulsómetro Bluetooth salió del rango de alcance del emisor LoRa.

Y para cerrar, tenemos ya planificadas nuevas pruebas de alcance: en este caso, a dos campos de aerogeneradores, ubicados a 15 y 25 km de distancia desde Vilarchán. Pero de eso ya hablaremos en otro momento…