O objetivo deste artigo é fornecer uma visão geral técnica introdutória a LoRa® e LoRaWAN ™. Low-Power, WAN (LPWAN) são projetadas para suportar uma grande parte dos bilhões de dispositivos previstos para a Internet das Coisas (IoT). O LoRaWAN ™ foi desenvolvido de baixo para cima para otimizar as LPWANs para vida útil da bateria, capacidade, alcance e custo.
Será fornecido um resumo das especificações do LoRaWAN ™ para as diferentes regiões, bem como comparações de alto nível das diferentes tecnologias concorrentes no espaço LPWAN.
O que é Lora?
LoRa® é a camada física ou a modulação sem fio utilizada para criar o link de comunicação de faixa longa. Muitos sistemas sem fio herdados usam mudança de frequência modulação de chave (FSK) para camada física, porque é uma ferramenta muito eficiente de modulação para alcançar baixa potência.
LoRa® é baseado na modulação espectro de propagação de chirp, que mantém as mesmas características de baixa potência da modulação FSK, mas aumenta significativamente o alcance da comunicação.
Chirp spread spectrum tem sido usado em comunicações militares e espaciais há décadas devido as longas distâncias de comunicação que podem ser alcançadas e robustez à interferência, mas LoRa® é a primeira implementação de baixo custo para uso comercial.
Longo alcance (LoRa®)
A vantagem do LoRa® está na capacidade de longo alcance da tecnologia. Um único gateway ou estação base pode cobrir todo cidades ou centenas de quilômetros quadrados.
O alcance depende altamente do ambiente ou obstruções em um dado local, mas LoRa® e LoRaWAN ™ têm um orçamento de link maior que qualquer outro tecnologia de comunicação padronizada. O orçamento do link, normalmente fornecido em decibéis (dB), é o principal fator na determinação do intervalo em um determinado ambiente.
Abaixo são os mapas de cobertura da rede Proximus implantada na Bélgica. Com um Com uma quantidade mínima de infraestrutura, países inteiros podem ser facilmente cobertos.
Onde o LPWAN se encaixa?
Uma tecnologia não pode atender a todos os aplicativos e volumes projetados para a IoT.
WiFi e BTLE são padrões amplamente adotados e atendem aos aplicativos relacionados a comunicar dispositivos pessoais muito bem. A tecnologia celular é uma ótima opção para
aplicativos que precisam de alta taxa de transferência de dados e tenham uma fonte de energia.
Ofertas LPWAN provê uma vida útil da bateria de vários anos e foi projetado para sensores e aplicativos que precisam envie pequenas quantidades de dados por longas distâncias algumas vezes por hora, variando nos ambientes.
FATORES IMPORTANTES NA LPWAN
Os fatores mais críticos em uma LPWAN são:
- Arquitetura de rede
- Alcance de comunicação
- Vida útil da bateria ou pouca energia
- Robustez à interferência
- Capacidade da rede (número máximo de nós em uma rede)
- Segurança de rede
- Comunicação unidirecional versus bidirecional
- Variedade de aplicativos atendidos
O que é o LoRaWAN ™?
LoRaWAN ™ define o protocolo de comunicação e a arquitetura do sistema para a rede enquanto a camada física LoRa® permite o link de comunicação de longo alcance.
O protocolo e a arquitetura de rede têm maior influência na determinação da vida útil da bateria de um nó, capacidade da rede, qualidade do serviço, segurança, e a variedade de aplicativos atendidos pela rede.
Arquitetura de rede LoRaWAN
Muitas redes implantadas existentes utilizam uma arquitetura de rede em malha. Em uma malha de rede, os nós finais individuais encaminham as informações de outros nós para aumentar o alcance da comunicação e o tamanho da célula da rede.
Enquanto isso aumenta, além disso, a complexidade, reduz a capacidade da rede e reduz a vida útil da bateria, pois os nós recebem e encaminham informações de outros nós que provavelmente são irrelevante para eles.
A arquitetura em estrela de longo alcance faz mais sentido para preservar a vida útil da bateria quando é possível obter conectividade de longo alcance.
Em uma rede LoRaWAN ™, os nós não estão associados a um gateway específico. Em vez disso, os dados transmitidos por um nó geralmente são recebidos por vários gateways. Cada gateway encaminhará o pacote recebido do nó final para o servidor de rede baseado em nuvem através de algum backhaul (celular, Ethernet, satélite ou Wi-Fi).
A inteligência e a complexidade são enviadas ao servidor de rede, que gerencia a rede e filtrará pacotes recebidos de forma redundante, executará verificações de segurança, agendará reconhecimentos através do gateway ideal e executará dados adaptáveis,etc.
Se um nó é móvel ou está em movimento, não é necessária transferência do gateway, que é um recurso crítico para permitir aplicativos de rastreamento de ativos - um dos principais aplicativo da vertical IoT.
Vida útil da bateria
Os nós em uma rede LoRaWAN ™ são assíncronos e se comunicam quando tem dados prontos para enviar, seja direcionado por evento ou agendado. Este tipo de protocolo é normalmente chamado de método Aloha.
Em uma rede mesh ou com uma rede síncrona , como celular, os nós frequentemente precisam "acordar" para sincronizar com a rede e verificar se há mensagens. Essa sincronização consome quantidades significativas de energia, e é o driver número um da redução da vida útil da bateria.
Em uma recente estudo e comparação realizados pela GSMA das várias tecnologias que tratam da LPWAN, o LoRaWAN ™ mostrou uma vantagem de 3 a 5 vezes em comparação com todos as outras opções de tecnologia.
Capacidade de rede
Para viabilizar uma rede em estrela de longo alcance, o gateway deve ter um nível muito alto de capacidade para receber mensagens em um volume muito alto de nós.
A alta capacidade de rede de uma rede LoRaWAN ™ é obtida utilizando dados adaptativos, usando um transceptor multicanal no gateway para que mensagens simultâneas em vários canais possam ser recebidas.
Os fatores críticos da capacidade efetiva são o número de canais simultâneos, taxa de dados (tempo no ar), comprimento da carga útil e com que frequência os nós transmitem. Como o LoRa® é uma modulação baseada em espectro de dispersão, os sinais são praticamente ortogonais entre si quando diferentes fatores de espalhamento são utilizados.
À medida que o fator de dispersão muda, a taxa de dados efetiva também muda. O gateway aproveita essa propriedade ao poder receber várias taxas de dados diferentes no mesmo canal ao mesmo tempo. Se um nó tiver um bom link e fica próximo a um gateway, não há razão para usar sempre a menor taxa de dados que preencha o espectro disponível por mais tempo do que o necessário.
Ao mudar a taxa de dados mais alta, o tempo no ar é reduzido, abrindo mais espaço potencial para outros nós transmitirem. A taxa de dados adaptável também otimiza a vida útil da bateria de um nó. Para fazer com que a taxa de dados adaptativa funcione, link ascendente e link descendente simétrico é necessária capacidade suficiente de downlink.
Esses recursos permitem que uma rede LoRaWAN ™ tenha uma capacidade muito alta e torne a rede escalável. Uma rede pode ser implantada com uma quantidade mínima de infraestrutura e, conforme a capacidade for necessária, mais gateways podem ser adicionados, aumentando as taxas de dados, reduzindo a quantidade de ouvir outros gateways e aumentar a capacidade em 6-8x.
Outro LPWAN como alternativas não têm a escalabilidade do LoRaWAN ™ devido a trade-offs de tecnologia, que limitam a capacidade de downlink ou tornam o intervalo de downlink assimétrico a faixa de ligação ascendente.
Classes de dispositivo - nem todos os nós são criados iguais
Os dispositivos finais atendem a diferentes aplicativos e têm requisitos diferentes. Em ordem, para otimizar uma variedade de perfis de aplicativos finais, o LoRaWAN ™ utiliza diferentes classes de dispositivos. As classes de dispositivo trocam a latência de comunicação do downlink da rede versus duração da bateria.
Em um aplicativo do tipo controle ou atuador, a latência do downlink de comunicação é um fator importante.
Dispositivos finais bidirecionais (classe A): os dispositivos finais da classe A permitem comunicações de dispositivos bidirecionais pelas quais o uplink de transmissão de cada dispositivo final é seguida por duas janelas curtas de downlink.
O slot de transmissão agendado pelo dispositivo final baseia-se em suas próprias necessidades de comunicação, com uma pequena variação baseada em base de tempo (protocolo ALOHA). Esta operação de Classe A é o sistema dispositivos finais de menor potência para aplicativos que requerem apenas comunicação de downlink do servidor logo após o dispositivo final enviar uma transmissão de uplink.
Downlink de comunicações do servidor em qualquer outro momento terão que esperar até a próxima ligação programada.
Dispositivos finais bidirecionais com slots de recebimento programados (classe B): além de as janelas de recebimento aleatório de classe A, os dispositivos de classe B abrem janelas de recebimento extras em horários programados. Para que o dispositivo final abra sua janela de recebimento no horário agendado, ele recebe um farol sincronizado com o horário do gateway.
Este permite que o servidor saiba quando o dispositivo final está escutando.
Dispositivos finais bidirecionais com slots de recebimento máximos (classe C): dispositivos finais da classe C têm janelas de recepção quase continuamente abertas, fechadas apenas durante a transmissão.
Segurança
É extremamente importante para qualquer LPWAN incorporar segurança. LoRaWAN ™ utiliza duas camadas de segurança: uma para a rede e outra para o aplicativo.
A segurança da rede garante a autenticidade do nó na rede enquanto a camada de segurança do aplicativo garante que o operador da rede não tenha acesso aos dados do aplicativo do usuário final. A criptografia AES é usada com a troca de chaves utilizando um identificador IEEE EUI64.
Há vantagens e desvantagens em todas as opções de tecnologia, mas o LoRaWAN ™ apresenta em arquitetura de rede, classes de dispositivos, segurança, escalabilidade de capacidade e a otimização da mobilidade aborda a mais ampla variedade de aplicativos potenciais de IoT.
RESUMO REGIONAL DO LoRaWAN ™
A especificação LoRaWAN ™ varia um pouco de região para região com base em as diferentes alocações de espectro regional e requisitos regulatórios.
As especificações LoRaWAN ™ para Europa e América do Norte estão definidas, mas outras regiões ainda estão sendo definidas pelo comitê técnico. Juntando-se à Aliança LoRa® como membro contribuinte e participando do comitê técnico pode ter vantagens significativas para empresas que visam soluções para o mercado asiático.
LoRaWAN ™ para a Europa
O LoRaWAN ™ define dez canais, oito dos quais com taxa de dados múltipla de 250bps a 5,5 kbps, um único canal LoRa® de alta taxa de dados a 11kbps e um único canal FSK a 50kbps.
A potência máxima de saída permitida pelo ETSI na Europa é de + 14dBM, com a exceção da banda G3 que permite + 27dBm. Existem restrições de ciclo de serviço no ETSI, mas sem limite máximo de transmissão ou tempo de permanência no canal.
LoRaWAN ™ para a América do Norte
A banda ISM para a América do Norte é de 902-928MHz. LoRaWAN ™ define 64, Canais de uplink de 125kHz de 902,3 a 914,9MHz em incrementos de 200kHz.
Tem oito canais adicionais de uplink de 500KHz em incrementos de 1.6MHz de 903MHz a 914.9MHz. Os oito canais de downlink têm 500kHz de largura a partir de 923,3MHz a 927,5 MHz. A potência máxima de saída na faixa 902-928MHz da América do Norte é + 30dBm, mas para a maioria dos dispositivos + 20dBm é suficiente. Sob a FCC, não há dever com limitações de ciclo, mas há um tempo de espera máximo de 400 ms por canal.
Modo LoRaWAN ™ Hybrid para a América do Norte
A maioria das pessoas está familiarizada com os requisitos de salto de frequência para a FCC, que exigem que mais de 50 canais sejam utilizados igualmente na banda ISM.
LoRaWAN ™ é definido com mais de 50 canais para aproveitar o espectro disponível e permita potência máxima de saída.
A modulação LoRa® se qualifica como uma técnica de modulação digital, portanto, é isenta de ter que cumprir todos os requisitos de salto de frequência especificados pela FCC em um modo híbrido de operação. No modo híbrido, a potência máxima de saída é limitado a + 21dBm e apenas um subconjunto de oito canais dos 64 canais de uplink é utilizado no modo híbrido.
Da FCC:
“Um sistema híbrido usa técnicas de modulação digital e de salto de frequência em ao mesmo tempo na mesma transportadora. Conforme mostrado na Seção 15.247 (f), um sistema híbrido deve atender ao padrão de densidade de potência de 8 dBm em qualquer banda de 3 kHz quando o a função de salto de frequência está desativada.
A transmissão também deve obedecer a um Tempo de espera máximo de 0,4 segundo / canal quando a função de salto está ativada.
Não há nenhum requisito para esse tipo de sistema híbrido estar em conformidade com os 500 kHz largura de banda mínima normalmente associada a uma transmissão DTS; e não há número mínimo de canais de salto associados a esse tipo de sistema híbrido ".
COMPARANDO OPÇÕES DE TECNOLOGIA LPWAN
Há muita atividade no setor de IoT comparando as opções de LPWAN, tanto em comparação técnica, mas também da perspectiva do modelo de negócios.
Redes LPWAN estão sendo implantados agora porque há um forte argumento de negócios para oferecer suporte imediato de implantação e o custo para implantar a rede em faixas não licenciadas requer muito menos capital do que uma atualização de software 3G.
As perguntas que devem ser respondidas para comparar diferentes tecnologias LPWAN são:
• Flexibilidade para atingir uma grande variedade de aplicativos
• O protocolo de comunicação é seguro?
• Aspectos técnicos - alcance, capacidade, comunicação bidirecional, robustez para interferência
• Custo da implantação da rede, custo da lista técnica do nó final, custo da bateria
• Ecossistema de fornecedores de soluções para modelos de negócios flexíveis
• Disponibilidade de produtos finais para garantir o ROI da implantação da rede
• Força do ecossistema para garantir a qualidade e a longevidade da solução
CUSTO LPWAN VS SISTEMAS LEGADOS
O LoRaWAN ™ possui uma economia significativa de custos na implantação e requer infra-estrutura em comparação com os sistemas existentes.
A Xtech Solutions possui uma equipe de profissionais focada na vertical IoT.
Com isso, conseguimos ajudar no seu projeto LoRaWAN de fim a fim.
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Ref : LoRA Alliance
