Visão geral das tecnologias LPWAN

Visão geral das tecnologias LPWAN - incluindo NBIoT, CAT-M1

Desenvolvimentos recentes nas tecnologias LPWAN preencheram a lacuna dos requisitos de rede no cenário da Internet das Coisas (IoT). Essas tecnologias permitem conectividade de longo alcance, mantendo o consumo de energia e as características de custo mínimas. Normalmente, seus intervalos de comunicação são de até 10 - 40 km em áreas rurais e 1-5 km em áreas urbanas Seu baixo consumo de energia pode permitir uma vida útil da bateria de 1 a 10 anos, dependendo da aplicação . Isso os torna ideais para casos de uso internos e externos para uma ampla variedade de aplicações de IoT. Entre essas tecnologias IoT, Sigfox, LoRa, NB-IoT, CAT-M1 e NB-Fi são as mais procuradas.

SIGFOX

A Sigfox é uma operadora de rede francesa LPWAN que oferece uma solução para aplicações LPWAN que suportam a faixa de cobertura da rede em quilômetros, consumindo muito pouca energia. Sua infraestrutura é baseada na tecnologia patenteada da empresa e depende da implantação de estações base proprietárias onde quer que seja necessário.

A conexão entre dispositivos finais e estações base faz uso de bandas ISM (Industrial, Científico e Médico) sub-GHz não licenciadas. O uso da banda de frequência é limitado a apenas 100 Hz, tornando-o muito insensível a ruídos e extremamente eficiente em termos de energia. Inicialmente, o Sigfox suportava apenas comunicação de uplink, ou seja, do dispositivo final para a estação base, e o suporte para comunicação bidirecional foi introduzido posteriormente. Mas a comunicação de downlink, isto é, das estações base para os dispositivos finais, pode seguir apenas após uma comunicação de uplink.

O Sigfox permite apenas até 140 mensagens de uplink por dia e o comprimento máximo da carga útil para essas mensagens é restrito a 12 bytes. Além disso, apenas 4 mensagens de downlink são permitidas por dia, com o comprimento máximo da carga útil limitado a 8 bytes. Além disso, a taxa de transferência máxima da rede não pode exceder 100 bps. Os intervalos máximos suportados pela Sigfox são de até 10 km em áreas urbanas e até 40 km em áreas rurais.

LoraWAN

LoRa LoRa é uma tecnologia de modulação de espectro de espalhamento de camada física, inovada pela Semtech, que é baseada no esquema de modulação Chirp Spread Spectrum (CSS). A LoRa surgiu como uma LPWAN operando nas bandas de frequência ISM não licenciadas, ou seja, 868 MHz na Europa, 433 MHz na Ásia e 915 MHz na América do Norte.

LoRa implementa comunicação bidirecional e espalha um sinal de banda estreita para uma largura de banda muito mais ampla, o que torna o sinal extremamente resistente a ruídos e interferências. Isso também reduz o risco de detecção e bloqueio do sinal de saída. O LoRa fornece seis fatores de distribuição que variam de SF7 a SF12, o que permite aos usuários fazer uma compensação adequada entre seu alcance e taxa de dados de acordo com os requisitos da aplicação. O fator de espalhamento é diretamente proporcional ao intervalo e inversamente proporcional à taxa de dados. Isso significa que o SF12 oferece suporte ao intervalo mais longo com a taxa de dados mais baixa e o SF7 oferece suporte ao intervalo mais curto com a taxa de dados mais alta. No geral, o limite inferior da taxa de dados LoRa é 300 bps e o limite superior é 50 kbps. A carga útil máxima permitida para um pacote LoRa é de 243 bytes.

Enquanto LoRa é o esquema de modulação da camada física, LoRaWAN é um protocolo de comunicação completo construído sobre LoRa que foi padronizado pela primeira vez em 2015 sob LoRa-Alliance. Uma rede LoRaWAN típica consiste em topologia estrela-de-estrelas em que os gateways atuam como um meio-termo entre os dispositivos finais LoRa e uma rede 26 Servidor que transmite os pacotes dos dispositivos finais para um servidor de aplicativos. LoRaWAN funciona sobre LoRa, portanto, a vida útil da bateria de qualquer nó, a qualidade do serviço (QoS), a capacidade da rede e os recursos de segurança disponíveis dependem do protocolo e da arquitetura da rede. Este protocolo e arquitetura junto com suas várias camadas são mostrados na figura abaixo.

No LoRaWAN, os dispositivos finais não estão associados a um gateway específico. Isso significa que um dispositivo final pode enviar pacotes de dados para vários gateways. Em seguida, cada gateway irá rotear esse pacote de dados para o servidor de rede por meio de algum tipo de conexão de celular, ethernet ou wi-fi legado. Este servidor de rede é projetado de forma inteligente para que possa lidar com pacotes de dados redundantes, enviar confirmações por meio do gateway ideal, lidar com a taxa de dados adaptável e pode fazer algumas verificações de segurança antes de manipular os dados para o servidor de aplicativos.

Outro aspecto importante do LoRaWAN é que ele fornece classes diferentes para dispositivos finais. Essas classes podem ajudar a otimizar a vida útil da bateria do dispositivo final, diferenciando a latência de comunicação de downlink da rede.

(Classe A) Dispositivos finais bidirecionais: Os dispositivos finais da Classe A oferecem suporte à comunicação bidirecional de forma que, após a transmissão de uplink de cada dispositivo, haja um acompanhamento 27 de duas janelas curtas de recepção de downlink. Este é o modo de operação mais eficiente em termos de energia para dispositivos finais LoRa, pois a comunicação de downlink pode acontecer apenas por um curto período de tempo após uma transmissão de uplink, aumentando assim a latência.

(Classe B) Dispositivos finais bidirecionais com slots de recebimento programados: Em horários programados, os dispositivos finais de Classe B podem permitir janelas de recebimento extras para comunicação de downlink, além das janelas de recepção de Classe A. A abertura dessas janelas de recebimento agendadas são controladas por um beacon do gateway, para que o servidor de rede saiba quando o dispositivo final está pronto para a comunicação de downlink.

(Classe C) Dispositivos finais bidirecionais com slots máximos de recepção: Os dispositivos finais desta classe têm janelas de recepção abertas o tempo todo, a menos que quando o dispositivo estiver transmitindo mensagens de uplink. Aqui, a latência é minimizada à custa de uma vida útil muito menor da bateria do dispositivo final. Ao contrário do Sigfox, LoRaWAN não tem nenhuma limitação na quantidade máxima de mensagens de uplink ou downlink. Normalmente, a faixa de cobertura da rede LoRaWAN é de até 5 km em áreas urbanas e de até 20 km em áreas rurais.

NB-IoT

O NB-IoT surgiu na versão 13 do 3rd Generation Partnership Program (3GPP) em junho de 2016 como uma tecnologia celular de banda estreita projetada para atender aos requisitos de aplicação de IoT. O NB-IoT foi projetado de forma que possa coexistir com outros padrões de celular, como Long-Term Evolution (LTE) e Global System for Mobile Communications (GSM) em bandas de frequência licenciadas.

O NB-IoT é baseado no protocolo de comunicação LTE e empresta algumas funcionalidades LTE e faz os ajustes necessários para os casos de uso do aplicativo IoT. Assim, podemos visualizar o NB-IoT como um novo protocolo construído especificamente para aplicações LPWAN, mas tem uma base estrutural sólida na forma de LTE. O NB-IoT pode suportar até 100K dispositivos finais por estação base. A taxa de dados é limitada a 20 kbps para a transmissão de uplink e 200 kbps para a transmissão de downlink. Em termos de tamanho da carga útil, o tamanho máximo da carga útil permitido para uma única mensagem é 1600 bytes. Semelhante ao LoRaWAN, o NB-IoT não tem nenhum limite na transmissão de uplink 28 e downlink de mensagens por dia. Em termos de alcance, o NB-IoT pode ter cobertura de até 1 km em áreas urbanas e 10 km em áreas rurais.

Além da configuração normal do NB-IoT, na qual o modem do dispositivo final deve manter continuamente um link com a estação base LTE, o NB-IoT também oferece suporte a duas configurações diferentes, ou seja, Modo de economia de energia (PSM) e recepção descontínua estendida (eDRX).

Configuração PSM: A configuração PSM torna mais fácil minimizar o consumo de energia do dispositivo NB-IoT e pode ajudar a atingir a vida útil da bateria de 10 anos. Antes do PSM, era possível desligar o módulo de rádio de um dispositivo para economizar bateria, mas o dispositivo precisava se reconectar à rede LTE na próxima inicialização. Reconectar à rede pode consumir energia considerável e o efeito cumulativo de todas as reconexões ao longo do ciclo de vida de um aplicativo pode ser enorme. A configuração PSM elimina a necessidade de reconexões e ainda permite o desligamento completo do módulo de rádio para economizar bateria.

O PSM pode ser solicitado fornecendo dois temporizadores (T3324 e T3412) que a rede pode aceitar como estão ou com modificações. Esses valores são então retidos pela rede e o dispositivo permanece registrado na rede. Este registro é válido desde que o dispositivo acorde e envie alguns dados para a rede antes do término desses temporizadores. Um ciclo PSM típico pode ser visto na figura abaixo.

Na configuração PSM, o limite máximo para um dispositivo hibernar é 413 dias (definido por T3412) e o limite máximo para um dispositivo acessível é 186 minutos (definido por T3324).

Configuração eDRX: eDRX é a extensão de um recurso de recepção descontínua (DRX) LTE para dispositivos IoT para ajudar a reduzir o consumo de energia. O DRX permite que os smartphones desliguem momentaneamente o receptor do módulo de rádio para estender a vida útil da bateria. O eDRX pode estender muito o intervalo de tempo durante o qual o dispositivo NB-IoT não pode ser acessado pela rede. O eDRX não é tão eficaz quanto o PSM para reduzir o consumo de energia, mas oferece um equilíbrio entre a acessibilidade do dispositivo e o consumo de energia. O ciclo eDRX típico pode ser visto na figura abaixo.

Na configuração eDRX, os comprimentos de ciclo mínimo e máximo permitidos são 20,48 segundos e 10485,76 segundos (~ 175 minutos), respectivamente.

CAT-M1

O CAT-M1 foi introduzido na versão 13 do 3GPP e também visava a aplicativos LPWAN. Como o NB-IoT, o CAT-M1 foi construído para coexistir com os protocolos LTE e GSM na banda de frequência licenciada. Os provedores de rede podem fornecer suporte para CAT-M1 na infraestrutura LTE existente por meio de uma atualização de software.

A comunicação CAT-M1 utiliza largura de banda de 1,40 MHz e pode fornecer taxas de dados de até 1 Mbps em ambas as direções. Comparado com o NB-IoT, o CAT-M1 é ideal para dispositivos de movimentação rápida, pois pode lidar com a comutação eficiente entre as torres de celular de maneira semelhante ao LTE. Além disso, inclui suporte para voz sobre LTE também.

As especificações CAT-M1 ficam em algum lugar entre LTE e NB-IoT e tem como alvo dispositivos IoT que são mais complexos em comparação com NB-IoT, que é ideal para aplicações IoT mais simples.

Comparação de tecnologias LPWAN

A Tabela abaixo resume as especificações técnicas importantes das tecnologias LPWAN discutidas acima. Para esta aplicação, Sigfox não é ideal por causa de suas duas limitações principais. O primeiro sendo o limite de mensagem do uplink para 140 mensagens por dia, e o segundo sendo a restrição do tamanho do pacote do uplink para 12 bytes. Embora 12 bytes seja mais do que a carga útil do sensor ultrassônico de 8 bytes, ele não deixa nenhuma sobrecarga para cabeçalhos de pacote e metadados. LoRa parece ser uma boa solução, pois o tamanho da carga útil e o intervalo com suporte são suficientes para o aplicativo de monitoramento UDS. Além disso, ele pode ser otimizado para baixo consumo de energia, alternando entre diferentes classes de dispositivos, se necessário. Em tecnologias LTE, o NB-IoT parece ser ideal com tamanho de carga útil significativamente alto e alcance decente, além de suportar configurações de potência extremamente baixa. CAT-M1, por outro lado, não pode ser considerado para prototipagem e teste porque sua implantação é limitada na Estônia a partir de agora. NB-Fi tem tamanho de carga suficiente e o limite no 31 As mensagens de uplink e downlink são bastante generosas, mas não oferecem suporte a configurações adicionais para adaptar a solução para uso de baixa potência.