Desmistificando os protocolos de rede sem fio LoRa e LoRaWAN

Neste artigo, esperamos que consiga uma compreensão básica das redes de comunicação sem fio — LoRa e LoRaWAN.

No mundo da Internet das Coisas (IoT), conectividade é tudo. É o “eu” em IoT e o veículo por meio do qual entregamos produtos e aplicativos remotos, que podem canalizar a sua inteligência local para a nuvem para monitorizar, gerir e tomar decisões. Embora, nunca tenha sido tão fácil adicionar conectividade a um produto, dispositivo ou máquina, a escolha da opção de conectividade certa para uma solução, ainda é repleta de complexidade.

Pode ser óbvio, em alguns casos, que Ethernet ou Wi-Fi são a escolha certa, como em uma casa ou fábrica. Em outros, a comunicação de campo próximo (NFC) ou Bluetooth, pode ser a opção preferida, porque a sua solução requer comunicação de dispositivo para dispositivo de curto alcance. No entanto, se o seu produto for móvel, ou em um ambiente urbano, agrícola ou outro onde a complexidade da configuração de Wi-Fi simplesmente não funciona, terá que procurar em outro lugar. Especificamente, em rede móvel ou LoRa (formado a partir da frase “longo alcance”) e LoRaWAN (rede de longa distância de longo alcance).

O alcance global do telemóvel, por meio da harmonização global de bandas de frequência e acordos de roaming entre operadoras, bem como, a disponibilidade de conexões de alta largura de banda, para aplicativos com uso intenso de dados, tornam essa abordagem atraente para muitos casos de uso. Apesar do apelo, algumas aplicações favorecem o LoRa, onde os sinais são resistentes ao ruído, e a disponibilidade de bandas de frequência gratuitas e não licenciadas torna os custos unitários de dispositivos individuais, significativamente mais baixos.

Dado que diferentes necessidades o levarão a escolher rede móvel ou LoRa, e que essas abordagens são mais complementares do que competitivas, vamos aprofundar mais o LoRa.

O que é LoRa?

LoRa, é um protocolo de comunicação de baixa potência, destinado a operar em longas distâncias, usando um espectro não licenciado, especificamente bandas de rádio reservadas para fins industriais, científicos e médicos (ISM).

Os dispositivos LoRa, comunicam entre si em frequências sub-gigahertz, permitindo assim a transferência de dados de longa distância, embora as bandas disponíveis sejam estreitas e alguns governos tenham regras rígidas sobre a frequência com que um dispositivo nessas bandas pode transmitir. Em termos de Open Systems Interconnection (OSI), como visto no modelo de referência na Figura 1, um chip LoRa é a camada física que sustenta tudo acima dele e permite que, os dispositivos de hardware, aproveitem o espectro não licenciado para aplicativos de rede de área ampla de baixa potência (LPWAN). Basicamente, ele dita o espectro e o protocolo usado para a comunicação de rádio.

Figura 1. LoRa opera na camada física do modelo de referência OSI.

Embora o LoRa, opere no espectro sub-gigahertz, as bandas específicas que um chip LoRa aproveita diferem de uma região para outra. Os rádios LoRa na Europa, operam em 863-870/873 MHz, enquanto os dispositivos na Ásia e na América do Sul, operam em 915-928 MHz e os dispositivos na América do Norte, operam em 902-928 MHz. Ao comprar chips LoRa para uma aplicação, muitos serão pré-programados para o espectro de uma região, dependendo do requisito de alcance específico. Uma visão geral do espectro, com a faixa de frequência do LoRa, pode ser vista na Figura 2.

Figura 2. Os rádios LoRa operam no espectro sub-gigahertz. Imagem [modificada] usada retirada de NASA.

Além do espectro usado, o LoRa, também especifica o protocolo usado para a comunicação de rádio ou LoRa PHY.

 

Modulação LoRa: Chirp Spread Spectrum

O LoRa usa uma técnica de modulação sem fio proprietária, que é um derivado do Chirp Spread Spectrum, que usa pulsos “chirp” como forma de codificação de informações. Um chirp é uma onda senoidal, como visto na Figura 3, com uma frequência de sinal que aumenta ou diminui com o tempo.

Figura 3. LoRa codifica as informações, usando uma série de pulsos de “chirp” crescentes (como mostrado aqui), ou decrescentes. Imagem retirada de Georg-Johann.

Um rádio LoRa, realiza a sua modulação, representando cada bit de informação em uma carga útil com vários chirps de informação. Nesse caso, o “spread spectrum” no nome significa que os dispositivos que usam essa técnica, incluindo o derivado LoRa, todos usam largura de banda alocada para transmissão, tornando esses sinais resistentes ao ruído do canal comum nas bandas ISM.

Os dispositivos LoRa, permitem que os engenheiros ajustem as suas aplicações e escolham entre, a alta taxa de dados ou alta sensibilidade, usando algo chamado de fator de espalhamento (SF). Usando um parâmetro de rádio ajustável, os engenheiros podem selecionar o número de chirps enviados por segundo. Um SF baixo, enviará mais chirps por segundo, o que significa que poderá codificar mais dados por segundo, mas o sinal não é muito sensível do ponto de vista do receptor.

Uma baixa sensibilidade, traduz-se em uma maior probabilidade de que os dados que pretende enviar, sejam perdidos ao longo do caminho. Um SF alto, por outro lado, enviará menos chirps por segundo, mas produzirá um sinal mais sensível ao receptor, portanto, mais confiável. No entanto, chirps de alto SF, precisam de mais “tempo de transmissão” (tempo de transmissão na rede) e requerem mais energia, porque o modem estará a funcionar por um período mais longo do que com uma abordagem de baixo SF.

Ao definir o SF para rádio, bem como alterar a potência de transmissão do modem, (ajustável entre 2 dBm e 20 dBm dependendo da região), o LoRa fornece aos engenheiros, ferramentas capazes de configurar um aplicativo para consumo de energia e alcance de comunicação com base nas suas necessidades.

Como uma camada física, o LoRa cobre tudo o que é necessário, para permitir a comunicação de longo alcance entre dispositivos em um espectro comum, que podem falar o mesmo protocolo. No entanto, ele não aborda como os dispositivos se identificam, como eles se comunicam entre si, de forma a minimizar a interferência na rede ou como, os dados de dispositivos de rede local podem ser transmitidos com segurança para a nuvem ou locais remotos. É aí que entra o LoRaWAN (e outros).

O que é LoRaWAN?

LoRaWAN, por outro lado, é um protocolo de rede construído em cima da modulação baseada em LoRa. Embora o próprio LoRa, seja naturalmente ponto a ponto, o LoRaWAN, molda a rede em um hub-and-spoke definindo as duas funções principais de dispositivo:

– Um nó, que geralmente é um sensor
– Um concentrador, que atua como um gateway entre os nós e a nuvem

Em termos de OSI (Figura 4), LoRaWAN determina, tanto a camada de link de dados, que lida com a comunicação nó a nó, quanto a camada de rede, para lidar com como os nós podem enviar e receber dados através do limite da rede local.

 

Figura 4. LoRaWAN, especifica tecnologias que operam nas camadas Data Link e Network do modelo de referência OSI.

Na camada de link de dados, o LoRaWAN define um protocolo de controle de acesso ao meio (MAC), que determina como os nós da rede se identificam (também conhecido como endereço MAC), bem como os requisitos de energia, frequências e taxas de dados usadas para comunicação entre dispositivos LoRa.

Na camada de rede, o LoRaWAN cobre tanto o hardware físico que fica na ponta da rede, para se comunicar com os nós LoRaWAN, quanto os serviços que ficam na nuvem. Isso inclui a receção, o encaminhamento, o processamento e o encaminhamento de dados para a rede LoRa local (Figura 5).

Figura 5. Uma rede LoRaWAN típica, consiste em elementos locais e baseados em nuvem.

 

Um concentrador atua como um gateway, que administra conexões de nós LoRaWAN, bem como conexões com servidores de rede de longa distância pela Internet. Muitos concentradores disponíveis no mercado, tendem a incluir oito canais, para receção em simultâneo de pacotes de solicitação de nós LoRaWAN, e um único canal para envio de pacotes de resposta de volta para esses nós. O gateway, coopera com os servidores de rede, para administrar dispositivos à medida que eles se unem à rede LoRaWAN, e para lidar com comunicações de e para servidores de aplicativos baseados em nuvem.

Embora não seja o único protocolo de acesso de media para o LoRa, o protocolo LoRaWAN desfruta de amplo suporte do setor e possui um ecossistema saudável. Foi iniciado e mantido pela LoRa Alliance, uma associação criada em 2015, para apoiar o desenvolvimento colaborativo do protocolo LoRaWAN e garantir a interoperabilidade entre os produtos e serviços LoRaWAN.

Em algumas partes do mundo (principalmente na Europa), as operadoras de rede móvel, viram como forma de aumento de receita, oferecer as suas próprias redes LoRaWAN proprietárias, muitas delas voltadas para cidades inteligentes e aplicações agrícolas. Em outros lugares, é mais comum pensar em redes LoRaWAN como um “faça você mesmo”, redes privadas de área ampla, que um cliente precisaria de criar e implantar.

LoRa vs. LoRaWAN

Mencionei no início deste artigo, que LoRa e LoRaWAN, são frequentemente usados ​​de forma intercambiável, portanto, não deve ser surpresa que a maioria dos engenheiros, espere que essas tecnologias sejam usadas juntas numa mesma solução. Embora seja certamente verdade, que o LoRaWAN requer o uso de dispositivos LoRa, em uma ponta da rede para funcionar, não é o caso da implantação de dispositivos LoRa, exigir um concentrador LoRaWAN, rede ou servidores de aplicativos.

A realidade é que, embora o LoRaWAN seja o protocolo mais popular e amplamente implantado para redes de longa distância, o LoRa é um padrão interoperável que alimenta muitos dispositivos, pode não ser a melhor opção para todos os aplicativos LPWAN. Além da despesa dos concentradores de 8 canais, o protocolo LoRaWAN determina requisitos de link, tempo de transmissão e energia, que podem não ser apropriados para todos os casos de uso, principalmente aqueles, com um pequeno número de nós que não transmite com muita frequência. Além disso, pode ser que o serviço de nuvem que deseja usar, não combine com os requisitos de rede e servidor de aplicativos de uma solução LoRaWAN.

Usando LoRa sem LoRaWAN

O primeiro passo para usar o LoRa sem LoRaWAN, é que deve implementar o seu próprio protocolo de acesso ao meio, para que os nós possam concordar entre si sobre como identificar um ao outro, como ocultar as comunicações e, como e quando se comunicar no ar sem pisar um no outro. Conectar uma implantação LoRa à nuvem sem LoRaWAN, também requer a implementação de seu próprio mecanismo para lidar com backhaul para serviços em nuvem.

Isso pode parecer muito complexo, no entanto, pode ser bastante simples, dependendo da sua necessidade: uma conexão ponto a ponto de dois nós, pode apenas alternar as funções de envio e receção, e uma pequena rede de algumas dezenas de nós, pode usar um protocolo de slot de tempo de acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA). O LoRaWAN, foi projetado para redes de grande escala, e os nós LoRa, não precisam reimplementar cada parte do protocolo LoRaWAN, se o objetivo for uma solução pontual flexível e de baixo custo. Essa abordagem não é incomum no mercado.

O Amazon Sidewalk, que é usado no Echo, Ring e outros dispositivos inteligentes da Amazon, usa LoRa e implementa uma camada MAC de rede em malha. E no espaço comercial de IoT, a Blues Wireless oferece um produto chamado Sparrow, visto na Figura 6, que usa LoRa para nós que se comunicam com um gateway móvel ou Wi-Fi para backhaul na nuvem.

Figura 6. O produto Blues Wireless Sparrow, usa LoRa para comunicação de rede local, juntamente com backhaul de nuvem Wi-Fi ou telemóvel tradicional para o serviço de nuvem Notehub.io, e a infraestrutura definitiva de nuvem do cliente.

O LoRa MAC incluído no Sparrow é de código aberto, implementando um mecanismo simples de emparelhamento seguro de gateway/nó de um toque, bem como um subsistema de energia de transmissão adaptável, que otimiza a vida útil dos nós operados a bateria.

 

 

 

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Experiência em CB e Arduino. Participativo e dedicado.

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