En esta serie de Diarios de Proyecto, presentamos las tecnologías que estamos investigando como parte de un kit de herramientas para la respuesta rápida a incidentes y desastres climáticos. En el diario anterior, hablamos sobre el Wi-Fi y sobre cómo las redes locales inalámbricas pueden apoyar la comunicación cuando la infraestructura convencional de telecomunicaciones deja de funcionar. En este diario, avanzamos hacia una tecnología con características diferentes: el LoRa y el proyecto Meshtastic, que utiliza esta tecnología para formar redes de mensajería capaces de funcionar sin depender de internet, de torres de telefonía móvil o de un suministro continuo de la red eléctrica.
Después del Wi-Fi, ¿qué alternativas existen para puntos más distantes o aislados?
El Wi-Fi , como vimos en el diario anterior, se utiliza mucho para conectar personas y equipos dentro de un área local, como un albergue, un centro de comando o una comunidad. Dependiendo de los equipos, las antenas y el diseño de la red, también puede utilizarse en enlaces a distancias mayores. Pero ¿qué sucede cuando necesitamos conectar puntos distantes utilizando equipos de bajo consumo de energía y transmitir solo pequeñas cantidades de información?
¿Qué sucede cuando una comunidad queda aislada no solo de internet, sino también de cualquier señal de celular? ¿Cómo avisar sobre un riesgo, confirmar que alguien está bien o indicar una ubicación cuando no existe red de telefonía disponible?
Para investigar este tipo de situación, el proyecto Tridecs está probando el LoRa, una tecnología de radio que permite transmitir pequeños volúmenes de datos con bajo consumo de energía y que, dependiendo de las condiciones del enlace, puede alcanzar distancias mayores que las normalmente utilizadas en redes Wi-Fi locales.
¿Qué es el LoRa, después de todo?
LoRa es la abreviatura de Long Range (largo alcance). Técnicamente, es una tecnología de modulación de radio, es decir, una forma de codificar información en señales transmitidas por el aire. Fue desarrollada para permitir comunicaciones de bajo consumo de energía y baja tasa de transmisión, pudiendo alcanzar largas distancias dependiendo de las condiciones del entorno, las antenas y la configuración de los equipos.
El LoRa no fue diseñado para transmitir grandes volúmenes de datos a alta velocidad. Prioriza el bajo consumo de energía, la robustez del enlace y el alcance. Dependiendo de la configuración del radio, es posible aumentar su capacidad de recibir señales más débiles, a cambio de una tasa de transmisión menor y un tiempo mayor para enviar cada mensaje.
Esta característica lo diferencia de tecnologías como el Wi-Fi, más adecuadas cuando necesitamos transportar volúmenes mayores de información, como imágenes, archivos o acceso a aplicaciones web. Los equipos LoRa pueden operar en diferentes bandas de radiofrecuencia, que varían según el hardware, la región del mundo y las reglas establecidas en cada país. Muchas implementaciones utilizan bandas destinadas a equipos de baja potencia y de radiación restringida.
Algunas de estas bandas son históricamente conocidas como ISM (Industrial, Scientific and Medical), aunque su uso por sistemas de comunicación sigue sujeto a las reglas técnicas de cada país.
Una distinción importante ayuda a comprender el resto de este diario: el LoRa es la tecnología utilizada para transmitir la señal de radio, pero no define por sí sola cómo se organizará una red.
Un ejemplo es el LoRaWAN , un protocolo y una arquitectura de red que utiliza LoRa. En una red LoRaWAN, los dispositivos normalmente transmiten sus datos a uno o más gateway , que reenvían esta información a servidores responsables de organizar la red.
¿Por qué le interesa el LoRa a Tridecs?
Así como hicimos con el Wi-Fi, vale la pena preguntar: ¿qué tiene de particular esta tecnología para un contexto de respuesta a desastres climáticos?
El primer aspecto es el bajo consumo de energía. Dependiendo del hardware , de la capacidad de la batería, de la configuración del radio y de la frecuencia de las transmisiones, los dispositivos basados en LoRa pueden operar por largos períodos con baterías y también pueden integrarse a pequeños sistemas de alimentación solar. Esto es especialmente relevante en escenarios en los que la red eléctrica permanece indisponible.
Otro aspecto es la posibilidad de comunicación sin utilizar redes de telefonía móvil o internet. En el caso del Meshtastic , los dispositivos compatibles y configurados para participar en la misma red pueden intercambiar mensajes directamente por radio LoRa, incluso cuando la infraestructura de telecomunicaciones convencional no está disponible. Otro aspecto a investigar es el costo. Existen dispositivos compatibles con LoRa y Meshtastic relativamente baratos y disponibles comercialmente, lo que puede facilitar la experimentación y la implementación de varios nodos. El costo total, sin embargo, también depende de antenas, baterías, cajas de protección, sistemas de alimentación y demás componentes necesarios para cada escenario.
Por último, así como discutimos con el OpenWrt y el LibreMesh en el diario sobre Wi-Fi, el Meshtastic es un proyecto de código abierto , compuesto por firmware , aplicaciones y otras herramientas utilizadas para construir redes de comunicación sobre dispositivos equipados con radio LoRa. Esto permite que equipos técnicos y comunidades entiendan, ajusten y mejoren la herramienta, en lugar de depender de un sistema cerrado controlado por un único proveedor.
¿Cómo transforma el Meshtastic los dispositivos LoRa en una red de mensajería?
El Meshtastic ofrece un firmware que puede instalarse en diferentes modelos de equipos equipados con radio LoRa (como LilyGo, Heltec, RAK o Seeed Studio), además de aplicaciones utilizadas para configurar los dispositivos e intercambiar mensajes.
Algunos ejemplos:
Estos equipos pasan a funcionar como nodos de la red Meshtastic, capaces de transmitir mensajes cortos de texto, información de posición y pequeños volúmenes de telemetría. Dependiendo del equipo, una persona puede conectar el celular o la computadora al nodo por Bluetooth, Wi-Fi o cable y utilizar una aplicación compatible para escribir un mensaje. Es el nodo, a través del radio LoRa, quien efectivamente transmite ese mensaje por el aire hasta otros nodos dentro del alcance.
Y aquí es donde entra el concepto de Red Mesh, ya presentado en el diario anterior. Los nodos Meshtastic pueden participar en el reenvío de los mensajes de otros dispositivos, permitiendo que una comunicación alcance puntos que no tienen un enlace directo entre sí. De esta forma, un mensaje puede atravesar más de un nodo antes de llegar a su destino, sin depender de un punto de acceso central.
¿Cómo circulan los mensajes en esta malla, sin internet y sin torres?
Cuando un mensaje destinado a un grupo se transmite, los nodos cercanos reciben el paquete y pueden ayudar a retransmitirlo por la malla. Para evitar que el mismo mensaje sea repetido por varios nodos al mismo tiempo, Meshtastic utiliza una técnica llamada enrutamiento por inundación controlada : cada nodo que recibe un paquete nuevo espera un breve intervalo de tiempo, elegido de forma aleatoria, antes de retransmitirlo. Si, durante esa espera, el nodo detecta que otro dispositivo ya retransmitió el mismo paquete, cancela su propia retransmisión, ya que el mensaje ya avanzó y repetirlo solo consumiría tiempo de radio y batería en vano.
En los mensajes directos entre dos nodos, las versiones actuales de Meshtastic también logran aprovechar información aprendida sobre las rutas de la red, reduciendo la necesidad de propagar toda la comunicación a todos los dispositivos.
Para evitar que un mensaje continúe atravesando la red indefinidamente, los paquetes tienen un límite de saltos. Cada retransmisión consume parte de ese límite; cuando este se agota, el mensaje deja de ser reenviado.
La comunicación también puede organizarse en canales. Los dispositivos configurados con el mismo canal y la misma clave logran descifrar y leer el contenido de los mensajes compartidos en ese canal. Otros nodos de la misma red de radio pueden, dependiendo de la configuración, ayudar a retransmitir esos paquetes sin necesariamente poder leer su contenido. La comparación con un “grupo privado” ayuda a comprender la organización de los mensajes, pero no significa que el modelo de seguridad sea equivalente al de las aplicaciones modernas de mensajería instantánea.
El Meshtastic tiene configuraciones predeterminadas ampliamente conocidas. Por eso, una red destinada a comunicaciones que no deben ser públicas necesita utilizar configuraciones y claves propias, definidas antes de la distribución de los equipos. Cuando la aplicación no está conectada, el nodo puede mantener temporalmente una cantidad limitada de mensajes recientes en su memoria. Al reconectarse, la persona puede recibir parte de los mensajes que llegaron durante ese período.
¿Qué tiene esto que ver con sensores y monitoreo ambiental?
La misma infraestructura de comunicación también puede transportar pequeños paquetes de telemetría producidos por sensores compatibles o por sistemas integrados a los nodos, como información de posición, temperatura, humedad, estado de la batería y otras mediciones.
Esta característica acerca nuevamente al Meshtastic al universo de la IoT . Cuando se integra con sensores y aplicaciones adecuadas, esta infraestructura también puede experimentarse para transportar información relacionada con la prevención y el seguimiento de riesgos, como datos de nivel de ríos, temperatura, humedad u otras condiciones ambientales.
A partir de este contexto, ¿cómo podrían utilizarse el LoRa y el Meshtastic durante crecidas, deslizamientos e incendios?
El LoRa y el Wi-Fi no se diferencian solo por el alcance. Son tecnologías con capacidades distintas que pueden desempeñar funciones complementarias.
Una red Wi-Fi puede ser más adecuada para poner a disposición aplicaciones locales, mapas, archivos y otros contenidos que exigen mayor capacidad de transmisión. En cambio, una red Meshtastic sobre LoRa puede utilizarse para experimentar la circulación de mensajes cortos, posición y telemetría entre puntos más distantes y con menor disponibilidad de energía.
Durante crecidas, inundaciones y deslizamientos
| Grupo | Propuesta |
|---|---|
| Equipos de respuesta y rescate | Puede funcionar como canal complementario para el envío de mensajes de estado e información de posición desde puntos sin cobertura de telefonía móvil. |
| Comunidades afectadas | Puede ofrecer un canal adicional para enviar mensajes cortos, pedir apoyo o informar una situación local cuando otros medios de comunicación estén indisponibles. |
| Organizaciones de ayuda humanitaria | Puede apoyar el intercambio de actualizaciones cortas entre albergues, puntos de distribución y equipos dispersos por un área extensa. |
| Equipos de telecomunicaciones | Puede servir como una capa mínima y temporal de intercambio de información en áreas aisladas durante la evaluación y el restablecimiento de otras infraestructuras. |
Durante incendios
| Grupo | Propuesta |
|---|---|
| Brigadistas y equipos de respuesta | Puede apoyar el intercambio de mensajes cortos e información de posición entre puntos de actuación, cuando los equipos cuenten con localización y haya conectividad a través de la malla. |
| Comunidades afectadas | Puede funcionar como canal complementario para difundir orientaciones y avisos entre propiedades o puntos previamente equipados con dispositivos compatibles. |
| Organizaciones de ayuda humanitaria | Puede apoyar el intercambio de actualizaciones básicas entre albergues y equipos distribuidos por una región. |
| Equipos responsables de la infraestructura | Puede transportar telemetría sobre batería, energía y estado de puntos remotos de la propia red. |
Estos ejemplos no representan un conjunto cerrado de aplicaciones. Forman parte de las hipótesis que pretendemos investigar a lo largo de esta fase del proyecto, buscando comprender en qué situaciones el LoRa puede complementar al Wi-Fi y otras tecnologías de comunicación ya discutidas en esta serie.
¿Qué oportunidades ofrece esta tecnología?
- Bajo consumo de energía, lo que permite largos períodos de funcionamiento según el hardware y la configuración utilizada. · Posibilidad de comunicación a distancias mayores que las normalmente utilizadas en redes Wi-Fi locales, dependiendo del relieve, las antenas y los parámetros de radio.
- Funcionamiento sin depender directamente de internet o de redes de telefonía móvil.
- Existencia de dispositivos compatibles con un costo relativamente accesible para la experimentación.
- Equipos pequeños y livianos, lo que facilita el transporte y la implementación temporal en diferentes puntos.
- Posibilidad de integración con sensores y sistemas de telemetría.
- Ecosistema de software de código abierto en el caso del Meshtastic.
- Formación y adaptación de la malla sin necesidad de configurar manualmente rutas en la mayoría de los usos.
¿Y cuáles son los desafíos?
- Capacidad de transmisión limitada: el LoRa fue creado para mensajes cortos y pequeños volúmenes de datos, no para voz, imágenes o videos.
- Diversidad de equipos: la gran cantidad de placas, radios, antenas, baterías y combinaciones de hardware disponibles puede dificultar la selección y estandarización de un conjunto de equipos para uso en campo.
- Configuración inicial: aunque el Meshtastic automatiza gran parte del funcionamiento de la malla, aún es necesario definir la región de radio, los canales, las claves, las funciones de los nodos y otros parámetros adecuados al escenario.
- Seguridad de la comunicación: las configuraciones predeterminadas no deben considerarse privadas. Los canales utilizados para información sensible necesitan claves propias y aun así presentan limitaciones de seguridad que deben considerarse en el diseño de la operación. Los mensajes directos en las versiones actuales cuentan con protecciones adicionales, pero eso no elimina la necesidad de planificación y procedimientos de seguridad.
- Dependencia del diseño de la malla: el alcance real depende del relieve, la vegetación, las construcciones, la altura y la calidad de las antenas. Un mensaje solo logra atravesar diferentes puntos cuando existen nodos disponibles y enlaces de radio utilizables entre ellos.
- Energía y mantenimiento: el bajo consumo no significa ausencia de mantenimiento. Las baterías deben dimensionarse, monitorearse y eventualmente recargarse o sustituirse.
- Capacidad de la malla: todos los nodos comparten un medio de radio de baja tasa de transmisión. Una gran cantidad de dispositivos o transmisiones frecuentes puede aumentar la congestión, los retrasos y la pérdida de mensajes.
- Regulación del espectro: las frecuencias, la potencia y otros parámetros deben ajustarse a las reglas de Anatel y a las características de los equipos utilizados en Brasil.
¿Qué queremos comprender mejor con las pruebas?
El Tridecs tampoco parte de la idea de que ya tiene todas las respuestas sobre el LoRa y el Meshtastic. Estamos investigando posibilidades, así como lo hicimos con el Wi-Fi.
Queremos comprender a qué distancias y en qué condiciones de terreno la comunicación se mantiene utilizable; cómo el relieve, la vegetación, las construcciones, la altura y el tipo de antena afectan los enlaces; cómo varía el consumo de energía entre diferentes equipos y configuraciones; y cuánto conocimiento técnico se necesita para que un equipo configure, distribuya y mantenga los dispositivos en campo.
También queremos observar cómo se comporta la red cuando aumenta el número de nodos y mensajes, qué procedimientos son necesarios para utilizar los canales de forma segura y cómo los mensajes de texto, posición y telemetría pueden combinarse con Wi-Fi, radio HT y otras tecnologías para formar un conjunto de herramientas complementario.
En el próximo diario, continuamos esta investigación con otra capa de comunicación ya mencionada al inicio de esta serie: el radio HT, utilizado en diferentes contextos de comunicación por voz, incluyendo operaciones de campo, equipos de respuesta y radioaficionados.
¡Hasta la próxima!