Introdução

A Internet das Coisas (IoT) introduziu uma abordagem onde "menos é mais", onde dispositivos e redes têm recursos limitados, incluindo memória, processamento, largura de banda e energia. Isso decorre da prevalência de dispositivos alimentados por bateria, que exigem maximização da vida útil da bateria, ou do esperado aumento maciço no número de dispositivos conectados. Essa necessidade de "fazer mais com menos" impulsionou o surgimento de tecnologias como as Redes de Área Ampla de Baixa Potência (LPWAN), que proporcionam conectividade eficiente para a IoT.

Uma dessas tecnologias é o LoRa(Long Range), um esquema de modulação de espectro espalhado derivado da modulação por chirp spread spectrum (CSS). LoRa troca taxa de dados por sensibilidade dentro de uma largura de banda de canal fixa, permitindo aos designers de sistemas otimizarem o desempenho da rede. Operando na camada física, o LoRa é agnóstico em relação às implementações de camadas superiores, o que facilita sua coexistência e interoperabilidade com arquiteturas de rede existentes. Sua capacidade de oferecer conectividade de longo alcance e baixo consumo de energia que precisam transferir pequenas quantidades de dados em intervalos curtos por longas distâncias o torna uma escolha interessante para aplicações de sensoriamento inteligente em infraestruturas civis e industriais.

Complementando a tecnologia LoRa, existe o LoRaWAN (Long Range Wide Area Network), um protocolo de comunicação que opera nas camadas superiores à camada física do LoRa. O LoRaWAN define o sistema de comunicação de rede, incluindo a gestão de dispositivos, a segurança e a interoperabilidade entre os dispositivos e as aplicações.

O LoRaWAN adiciona a inteligência necessária para gerenciar e operar redes IoT complexas, tornando LoRa e LoRaWAN juntas uma solução robusta e flexível para os desafios da Internet das Coisas.

LoRa x LoRaWAN

As principais diferenças entre LoRa e LoRaWAN são:

LoRa define a camada física e é a razão por trás da comunicação de longo alcance, já o LoRaWAN define o protocolo de comunicação e a arquitetura de sistema para a rede;

LoRa se refere à modulação wireless permitindo uma comunicação com baixo consumo de energia, enquanto o LoRaWAN se refere ao protocolo de rede que utiliza chips do LoRa para a comunicação;

A modulação LoRa pode ser utilizada em redes sem LoRaWAN, por outro lado, também é possível utilizar LoRaWAN como rede sem LoRa, mas não é eficiente;

LoRa é uma modulação Chirp Spread Spectrum (CSS) usada para prover diferentes taxas de transmissão usando diferentes fatores de propagação, enquanto o LoRaWAN é uma rede wireless usada como WAN (Wide Area Network) devido à sua alta capacidade de cobertura.

Em resumo, pode-se dizer que LoRa é a camada física e LoRaWAN a camada MAC.

Arquitetura de Rede

A frequência, regras e a regulamentação de operação dos dispositivos LoRa varia para diferentes regiões do planeta. Em geral utiliza-se frequências ISM(Industrial Scientific Medical) que são frequências de uso não restrito, ou seja, não é necessário obter uma licença ou pagar uma taxa para utilizá-las.

Faixas de frequênca pelo mundo

No Brasil são reguladas pela Resolução nº 680/2017 (Regulamento sobre Equipamentos de Radiocomunicação de Radiação Restrita). A principal faixa que se destaca para utilização é a de 915-928 MHz.

Topologia

A topologia de rede que os dispositivos LoRa utilizam para se comunicarem entre si, utilizando a rede LoRaWAN, é baseada principalmente na estrutura de rede estrela ou estrela de estrelas. Nessas arquiteturas, os dispositivos finais se comunicam através de um ou mais pontos centrais chamados gateways. Ao receberem as mensagens, encaminham-nas para um servidor de rede baseado em nuvem via celular, Ethernet, satélite ou Wi-Fi.

Nota-se que um dispositivo final não pertence a um gateway específico, mais de um gateway pode receber uma mensagem enviada por um dispositivo final. Os gateways são bidirecionais, o que significa que podem receber e enviar mensagens dos dispositivos finais. Eles se comunicam com um servidor de rede e são conectados através de conexões IP.

O servidor de rede gerencia toda a rede. Ao receber pacotes, ele remove a redundância dos pacotes e realiza uma verificação de segurança e então determina o gateway mais adequado para enviar de volta uma mensagem de confirmação. Por fim, um servidor de aplicativos é o servidor final onde todos os dados enviados pelo dispositivo final são pós-processados e as ações necessárias são tomadas.

Rede estrela do LoRaWAN

A comunicação direta entre os dispositivos finais e o gateway reduz o consumo de energia, já que não há necessidade de retransmissão de dados através de dispositivos intermediários, isso é ideal para dispositivos alimentados por baterias que precisam operar por longos períodos. Além disso, é fácil adicionar novos dispositivos à rede, pois cada um só precisa se conectar ao gateway, sem a complexidade de gerenciar roteamento de dados entre múltiplos dispositivos intermediários. Por outro lado, o gateway é um ponto único de falha, se ele falhar, os dispositivos podem perder a capacidade de se comunicar com a rede central. Além disso, cada gateway tem uma capacidade limitada de quantos dispositivos pode gerenciar simultaneamente.

Arquitetura de Protocolo

A arquitetura de protocolo LoRa é desenvolvida pela LoRa Alliance. O protocolo LoRaWAN consiste em uma camada MAC e uma camada de aplicação, e opera com base na camada física LoRa. A arquitetura do protocolo de rede ponta a ponta é mostrada abaixo

Resumo da arquitetura de protocolo

Estrutura do pacote

Camada física: Nessa camada a estrutura do pacote se inicia com o Preamble (preâmbulo), que não está incluído na sincronização. O Preamble define o esquema de modulação de pacote. Após o Preamble, há a PHY Header e a Header CRC que, juntos, possuem 20 bits de comprimento. A PHY Header contém informações sobre criptografia, comprimento do Payload e quando existe o Payload CRC na estrutura do pacote (na rede LoRa, ele só existe no uplink). Por fim, o PHY Payload contém a estrutura da camada MAC.

Camada MAC: O pacote processado na camada MAC inicia com a MAC Header, que define a versão do protocolo utilizado e o tipo da mensagem (se é transmitida em uplink ou downlink). A MAC Header é seguida pelo MAC Payload e o MIC. A MAC Header e o MAC Payload são usados para computar o valor do MIC com uma chave de sessão de rede. A função do MIC, por sua vez, é evitar falsificação de mensagens e autenticar o último nó.

Camada de Aplicação: A camada de aplicação processa o MAC Payload que consiste na Frame Header, Frame Port e Frame Payload. O valor da Frame Port depende do tipo de aplicação e o Frame Payload é criptografado com uma chave de sessão de aplicação. A Frame Header contém:

Device Address: composto por duas partes: 8 bits que identificam a rede e o resto dos bits escolhidos dinamicamente;

Frame Control: usado para informações de controle de rede;

Frame Counter: para numeração sequencial;

Frame Options: para comandos usados para trocar o valor da taxa de transmissão, potência de transmissão, etc.

Resumo da Pilha de protocolo

Modulação

A modulação usada pelo LoRa é patenteada e nunca foi descrita teoricamente nem pela Cycleo nem pela Semtech, é frequentemente referida como "modulação de chirp", como na modulação de espalhamento espectral por chirp (Chirp spread spectrum ou CSS). Dado isso, o artigo [3] descreve a modulação LoRa como Modulação de Chirp por Deslocamento de Frequência (Frequency Shift Chirp Modulation ou FSCM) e realiza uma inspeção detalhada do LoRa, usando Transformada Rápida de Fourier, e, pela primeira vez, descreve matematicamente a modulação.

Um fator crítico para a transmissão usando esta tecnologia é o fator de espalhamento (sigla SF em inglês) que permite que o LoRa troque uma boa taxa de dados por uma melhor robustez do sinal e vice-versa.

Como LoRa usa toda a largura disponível da banda e transmite em banda larga, o sinal é resistente a ruídos de banda estreita o que é muito útil já que a aplicação funciona na banda ISM.

Aplicações e Potencial

O gráfico abaixo mostra como redes LPWAN se posicionam entre outras tecnologias de comunicação sem fio, em termos de alcance e eficiência energética.

Estas características tornam esse tipo de rede uma solução ideal para muitas aplicações de IoT que requerem comunicação de longa distância com baixo consumo de energia, apesar de sua limitada taxa de transmissão.

LoRaWAN Vs. Sigfox Vs. NB-IoT:

A Sigfox e a NB-IoT são os dois protocolos de comunicação que disputam espaço no mercado com o LoRaWAN. Entretanto, embora tenham a mesma área de atuação, são protocolos bem distintos, como é possível observar na tabela abaixo.

O gráfico compara os três protocolos em seus principais pontos, sendo eles o custo benefício ("Cost Efficiency"), desenvolvimento ("Deployment"), cobertura ("Coverage"), alcance ("Range"), escalabilidade ("Scalability"), desempenho de latência ("Latency Performance"), tamanho dos dados transmitidos ("Playload Length"), qualidade de serviço ("Quality of Service" - "QoS") e duração da bateria ("Battery Life").

Cada um dos três protocolos tem seus pontos fortes e fracos. No caso do LoRaWAN se destaca por ser a mais versátil. Sua facilidade de conectar novos dispostivos a rede, quantidade ilimitada de mensagens diariamente, baixo custo de implementação, um bom alcance, com baixo consumo de bateria e sem sacrificar a taxa de transmissão.

Sistema de Correios Suíço

O sistema de correios suíço precisa, por lei, estar a menos de 20min de caminhada ou de transporte público de 90% das residências de uma unidade da federação. Por esta razão existem muitas agências em áreas remotas do país, com agentes frequentemente se deslocando apenas para encontrar caixas de correio vazias.

Desse modo, a agência propôs o uso de um transmissor dado aos residentes de forma gratuita que permite o usuário requisitar remotamente um serviço da agência como compra de selo ou envio de correspondência.

Outros casos de uso propostos no livro branco são em aplicações B2C como entrega de comida ou serviços farmacêuticos, ou aplicações B2B como comunicação em linhas de produção ou requisição de suprimentos de escritório.

Outras aplicações

Monitoramento da Poluição Atmosférica
Processamento Agrícola
Rastreamento de animais
Detecção de fogo
Rastreamento de Frota
Segurança do lar
Qualidade do ar interno
Monitoramento de temperatura industrial
Gestão de Ativos
Manutenção preditiva
Detecção de vazamento de radiação
Iluminação Inteligente
Estacionamento inteligente
Gestão de resíduos
Monitoramento de fluxo de água

Perguntas

Qual a diferença entre LoRa e LoRaWAN?

R: LoRa é a camada física e LoRaWAN a camada MAC.

Por que LoRa é uma escolha interessante para aplicações de sensoriamento inteligente?

R: Por sua capacidade de oferecer conectividade de longo alcance e baixo consumo de energia.

Qual a principal vantagem do LoRa em relação a outros tipos de rede?

R: Longo alcance e baixo consumo de energia.

Qual a principal desvantagem do LoRa em relação a outros tipos de rede?

R: Baixa taxa de transmissão de dados.

Por que é fácil adicionar novos dispositivos à rede LoRa?

R: Pois cada dispositivo só precisa se conectar ao gateway, sem a complexidade de gerenciar roteamento de dados entre múltiplos dispositivos intermediários.

LoRa e LoRaWAN

Alanna Simões, Alexandre Chiacchio e João Andrade

Introdução

O LoRaWAN adiciona a inteligência necessária para gerenciar e operar redes IoT complexas, tornando LoRa e LoRaWAN juntas uma solução robusta e flexível para os desafios da Internet das Coisas.

LoRa x LoRaWAN