Explicando o LoRaWAN

No início da década de 1990, a conexão com a internet começou como um caminho direto e simples. Hoje em dia, as coisas evoluíram e se tornaram mais complexas, mas também mais capazes. Em vez de uma única conexão Ethernet com a internet, microcontroladores e outros dispositivos podem se conectar por meio de uma longa lista de protocolos: Bluetooth, Wi-Fi, BLE, ZigBee, 3G, 4G, 5G, NFC, RFID, SigFox, DigiMesh, Thread e 6LoWPAN, para citar alguns. Cada uma dessas conexões desempenha um papel valioso para a conexão de dispositivos e a transmissão de dados, mas um protocolo emergente que gostaríamos de destacar é o LoRaWAN .

Assim como as mencionadas acima, o LoRaWAN é uma rede de conexão sem fio para comunicação de dados com a internet. O LoRaWAN rapidamente se destacou à medida que se tornou conhecido e adaptado para aplicações de IoT conectividade de longo alcance e baixo consumo de energia com a internet, sem a necessidade de Wi-Fi. O LoRaWAN é uma ótima solução para sensores ou dispositivos remotos alimentados por bateria que se comunicam a longas distâncias ou em locais remotos. Simplificando, o LoRaWAN envia pacotes de dados, quando necessário, a longas distâncias até o gateway , que encaminha esses pacotes para o servidor para armazenamento, processamento ou visualização.

Para se familiarizar melhor com o LoRaWAN, vamos voltar a 2009, quando o precursor do LoRaWAN, chamado LPWAN, começou a ser usado na França:

• LPWAN é uma rede de telecomunicações sem fio de longa distância projetada para permitir comunicações de longo alcance com baixa taxa de bits para dispositivos (objetos conectados), como sensores alimentados por bateria com baixos requisitos de energia.
• A LPWAN permite a conectividade de redes de dispositivos que exigem menos largura de banda do que a oferecida pelos equipamentos domésticos padrão.
• LPWAN também suportam mais dispositivos em uma área de cobertura maior do que as tecnologias móveis para o consumidor e possuem melhores capacidades de bidirecionalidade.
• Redes como Wi-Fi e Bluetooth são mais adequadas para IoT de nível de consumo , enquanto LPWAN é mais comum em aplicações IoT industrial , cívica e comercial.

LPWAN é a rede cumulativa que engloba LoRaWAN. Portanto, as duas não são sinônimas, mas sim duas redes distintas. A LPWAN surgiu primeiro e, posteriormente, adotou diversas redes, cada uma com sua história própria. Algumas dessas redes adotadas incluem a AlarmNet (que mais tarde foi adquirida pela Honeywell), a rede 2G e a LoRaWAN, criada pela LoRa Alliance em 2014 e que está entre os principais e mais populares protocolos para dispositivos conectados.

Como funciona o LoRaWAN:

NOTA : Uma lista de termos comuns e suas definições foi incluída no final deste post como um glossário.

Usando o infográfico acima, os sensores conectados à internet são chamados de dispositivos finais . Sempre que o sensor realiza uma leitura, o dispositivo envia condicionalmente um sinal (pacote de dados) que o gateway gateway para capturar os dados. Esses dados chegam ao gateway utilizando FSK ( Frequency Shift Keying ) para serem transmitidos da forma mais eficiente possível para o servidor, por meio de um processo chamado Chirp Spread Spectrum (CSS). À medida que o pacote de dados do dispositivo final entra no circuito do gateway , ele chega em "chirps", ou símbolos que representam informações digitais (como abaixo). O chirp é então convertido para o domínio da frequência e, em seguida, para um sinal modulado para uma transmissão de dados eficiente.

O hardware LoRa, após converter o sinal de entrada para o domínio da frequência, busca dentro da faixa frequência outros canais mais adequados para transportar o sinal. Assim que o gateway encontra um, todo esse processo modula a frequência do sinal de entrada para torná-lo mais eficiente em termos de energia e, em seguida, "desloca" (daí o "S" em FSK) o sinal para esse canal para uma transmissão de dados mais rápida.

Os dispositivos finais e gateway interagem continuamente entre si, permitindo que a transmissão de dados "salte" para outros canais de frequência que melhor se adaptem às restrições de potência, velocidade, ciclo de trabalho e alcance do sistema.

Durante essa modulação de frequência, outros circuitos integrados dentro do gateway LoRa realizam outras modulações de "aprimoramento", como filtrar ruídos ou as irregularidades que você vê em um sinal.

Outro motivo pelo qual o LoRaWAN é uma rede de baixo consumo e longo alcance é graças a um processo chamado ADR ( Taxa de Dados Adaptativa ). Assim como o processo FSK "desloca" a frequência do sinal de entrada para aumentar a eficiência, o ADR "conversa" com o servidor da rede LoRaWAN para aumentar a taxa de dados . A comunicação entre o dispositivo e o servidor funciona da seguinte forma:

1. Os dispositivos finais (nós) enviam constantemente de uplink para o servidor de rede LoRaWAN. Essas mensagens de uplink contêm muitas informações sobre os últimos 20 sinais do nó.
2. O servidor de rede analisa o histórico recente do nó e faz comparações para verificar quanta "margem" existe para realizar alterações
3. A rede pode observar que existe uma "margem" para sacrificar alcance em prol de algo mais útil, como uma taxa de dados mais rápida. (Observe no diagrama que a lixeira está enviando seus dados para mais gatewaydo que qualquer outro dispositivo.)
4. Em vez de enviar mensagens mais lentas para gatewaydistantes, o servidor prefere que o dispositivo final envie uma mensagem rápida para um gateway próximo.
5. Portanto, o ADR aproveita as oportunidades que aumentam a taxa de dados. Se os sacrifícios feitos ajudarem o sistema a operar com mais eficiência, então o sacrifício valerá a pena com o uso do ADR.

Após o gatewayreceber e interpretar um pacote de dados usando a tecnologia LoRa, gateway encaminha os dados para o servidor de rede por meio de conexões IP padrão, como Ethernet ou 3G. Se o servidor de rede receber o mesmo pacote de dados de vários gateway, ele processará apenas um deles e descartará as cópias. Portanto, se o servidor receber três pacotes de dados iguais porque a lixeira está conectada a três gatewayem nossa ilustração, apenas um desses pacotes será processado, resultando em uma transferência de dados altamente precisa e eficiente.

Trocas

Como em qualquer aplicação de engenharia, no mundo do LoRaWAN existem compromissos a serem feitos em relação a potência, velocidade e alcance. O diagrama abaixo ilustra os pontos a serem considerados.

Aumentar o tempo de transmissão de dados por bit → reduz a taxa de dados → menor velocidade.
Diminuir o tempo de transmissão de dados por bit → aumenta a taxa de dados → maior velocidade.
Aumentar o alcance e reduzir o consumo de energia → menor velocidade.
Aumentar o alcance e aumentar a velocidade → requer maior consumo de energia.
Aumentar a velocidade e reduzir o consumo de energia → menor alcance.

Faixas de frequência

LoRaWAN utiliza frequências de rádio mais baixas em um alcance maior, e as faixas de frequência variam de país para país.

• Europa : bandas de 863-870 MHz e 433 MHz (868 MHz é utilizada pela The Things Network). Três canais comuns de 125 kHz para a banda de 868 MHz (868,10, 868,30 e 868,50 MHz) devem ser suportados por todos os dispositivos e redes.
• EUA : Banda de 902-928 MHz, dividida em 8 subbandas. Cada uma dessas subbandas possui oito canais de uplink de 125 kHz, um canal de uplink de 500 kHz e um canal de downlink de 500 kHz. Ao contrário dos canais de frequência europeus, os dos EUA são classificados como canais de uplink e downlink.
• Austrália : banda de 915-928 MHz. As frequências de uplink na Austrália são mais altas do que na banda dos EUA. No entanto, as frequências de downlink são as mesmas que na banda dos EUA.
• China : Banda de 779-787 MHz, com três canais comuns de 125 kHz (779,5, 779,7 e 779,9 MHz), e também existe uma banda de 470-510 MHz, com 96 canais de uplink e 48 canais de downlink.

Aulas

O LoRaWAN categoriza seus dispositivos finais em três classes diferentes para atender às diversas necessidades refletidas na ampla gama de aplicações.

Classe A:

• Esses dispositivos suportam comunicação bidirecional entre um dispositivo e um gateway
• categoria de potência mais baixa
• Os dispositivos de Classe A funcionam apenas em aplicações onde enviam uma transmissão de uplink e aguardam a comunicação de downlink do servidor logo em seguida
• As mensagens de uplink podem ser enviadas a qualquer momento
• Após o envio de uma mensagem de uplink, os dispositivos de Classe A abrem duas janelas de recepção em horários específicos
• O servidor pode responder em qualquer janela
• O intervalo de transmissão (intervalo de tempo) agendado para cada janela pelo dispositivo final é baseado em suas próprias necessidades de comunicação
• Se o servidor não responder em nenhuma dessas duas janelas de recebimento, a próxima oportunidade será após a próxima transmissão de uplink

A primeira linha do diagrama representa o processo cronológico de uplink/downlink de um dispositivo final de classe A. Primeiro, um sinal de uplink é enviado, aguarda-se e, em seguida, a primeira janela de recepção é aberta; aguarda-se novamente e, então, uma segunda janela de recepção é aberta. As duas linhas seguintes demonstram bem-sucedida de um de downlink após a captura dos sinais de downlink pela janela de recepção. A última linha demonstra malsucedida de um sinal de downlink, pois ele não foi capturado pelo dispositivo final em nenhuma das janelas de recepção.

Classe B:

• Os dispositivos finais de Classe B são bidirecionais com slots de recepção agendados, assim como os de Classe A
• A diferença: os dispositivos de Classe B abrem adicionais em horários programados, além das janelas de recepção dos dispositivos de Classe A.
• Ao contrário dos dispositivos de Classe A, que abrem suas janelas de recepção com base em suas próprias necessidades de comunicação, os dispositivos de Classe B recebem um sinal sincronizado com o tempo do gateway, permitindo que o servidor saiba quando o dispositivo final está "escutando"

Classe C:

• Os dispositivos de classe C são bidirecionais com slots de recepção máximos.
• Esses dispositivos possuem janelas de recepção quase que continuamente abertas, que são fechadas apenas durante a transmissão
• Isso permite comunicação de baixa latência , mas consome muitas vezes mais energia do que dispositivos da Classe

Ativação via rádio (OTAA)

Para participar de uma rede LoRaWAN, cada dispositivo final precisa ser personalizado e ativado . A funcionalidade desse processo é resumida nestas etapas:

1. Para ativação remota (over-the-air), os dispositivos finais devem seguir um procedimento de associação antes de participar das trocas de dados com o servidor de rede.
2. O procedimento de associação exige que o dispositivo final seja personalizado com as seguintes informações antes de iniciar o procedimento: um identificador de dispositivo final globalmente exclusivo ( DevEUI ), o identificador do aplicativo ( AppEUI ) e uma chave AES-128 ( AppKey ).
3. O procedimento de junção consiste em duas mensagens MAC (controle de acesso ao meio) trocadas com o servidor, nomeadamente uma solicitação de junção e uma aceitação de junção .
4. O dispositivo final envia a mensagem de solicitação de junção, que consiste no AppEUI e no DevEUI do dispositivo final, seguidos pelo DevNonce.
5. A mensagem de solicitação de junção pode ser transmitida usando qualquer taxa de dados e seguindo uma sequência eficiente de salto de frequência nos canais de junção especificados.
6. O servidor de rede responderá à mensagem de solicitação de ingresso com uma mensagem de aceitação de ingresso se o dispositivo final tiver permissão para ingressar na rede.
7. Após a ativação, as seguintes informações são armazenadas no dispositivo final: um endereço de dispositivo ( DevAddr ), um identificador de aplicativo ( AppEUI ), uma chave de sessão de rede ( NwkSKey ) e uma chave de sessão de aplicativo ( AppSKey ).

Se a etapa 7 for bem-sucedida, o OTAA estará concluído.

Ativação por Personalização (ABP)

Em determinadas circunstâncias, os dispositivos finais podem ser ativados por personalização. A ativação por personalização vincula diretamente um dispositivo final a uma rede específica, dispensando o procedimento de solicitação e aceitação de ingresso. Assim, ao contrário do OTAA, o DevAddr e as duas chaves de sessão, NwkSKey e AppSKey, são armazenados diretamente no dispositivo final, em vez do DevEUI, AppEUI e AppKey. Simplificando, o dispositivo final já está equipado com as informações necessárias para participar de uma rede LoRa específica ao ser iniciado.

A vantagem do ABP é a facilidade de conexão à rede, pois o dispositivo pode ser colocado em funcionamento em pouco tempo, o que é muito adequado para determinadas aplicações. A desvantagem é que as chaves de criptografia que permitem a comunicação com a rede são pré-configuradas no dispositivo, o que compromete a segurança.

Conclusão

Em resumo, os pontos principais do LoRaWAN são:

• LoRaWAN cobre longas distâncias, tornando-o ideal tanto para soluções urbanas quanto rurais
• LoRaWAN consome menos energia, o que torna a tecnologia ideal para dispositivos alimentados por bateria
• LoRaWAN oferece comunicação de baixa largura de banda, o que a torna a solução ideal para implantações práticas IoT que exigem menos dados
• Custos de implantação relativamente baixos em comparação com redes móveis ou Wi-Fi, devido ao menor número de dispositivos Gateway necessários
• LoRaWAN suporta comunicação bidirecional
• Um único Gateway LoRaWAN pode acomodar milhares de dispositivos ou nós, enquanto múltiplos Gatewayproporcionam resiliência a soluções inteligentes

Glossário de Termos

Consulte esta seção para obter definições de termos técnicos que o ajudarão a compreender o LoRaWAN. Para sua conveniência, essas palavras serão destacadas em negrito no tutorial quando forem utilizadas.

Taxa de dados adaptativa (ADR) : mecanismo para otimizar taxas de dados, tempo de transmissão e consumo de energia na rede.

AppEUI : é um ID de aplicativo global que endereça espaço e identifica exclusivamente o provedor (proprietário) do aplicativo no dispositivo final.

AppKey : uma chave de aplicação AES-128 específica para o dispositivo final, atribuída pelo proprietário da aplicação. A AppKey é usada para derivar as chaves de sessão NwkSKey e AppSKey específicas para esse dispositivo final, a fim de criptografar e verificar a comunicação de rede e os dados da aplicação.

AppSKey : é usada tanto pelo servidor de rede quanto pelo dispositivo final para criptografar e descriptografar o campo de carga útil de mensagens de dados específicas do aplicativo.

Banda : uma faixa de frequências com uma frequência mínima e uma frequência máxima específicas.

Largura de banda : mede a quantidade de dados que pode ser enviada por uma conexão específica em um determinado período de tempo (sinônimo de taxa de dados).

Chirp Spread Spectrum : um tipo de tecnologia de modulação responsável pela confiabilidade da transmissão, bem como pelo baixo consumo de energia.

Nuvem : uma plataforma projetada para armazenar e processar IoT . A plataforma foi criada para processar grandes volumes de dados gerados por dispositivos, sensores, sites, aplicativos, clientes e parceiros, e para iniciar ações que permitam respostas em tempo real.

Taxa de dados : a quantidade de dados digitais que é transferida de um lugar para outro em um determinado período de tempo; pode ser vista como a velocidade de deslocamento de uma determinada quantidade de dados de um lugar para outro, com base na largura de banda disponível.

DevAddr : contém um identificador de rede (NwkID) para separar endereços de redes territorialmente sobrepostas de diferentes operadoras e para solucionar problemas de roaming. Também contém o endereço de rede (NwkAddr) do dispositivo final.

DevEUI : um espaço de endereços de ID de dispositivo final global que identifica exclusivamente o dispositivo final.

DevNonce : um valor aleatório associado a um dispositivo final. Se um dispositivo final tentar se conectar ao servidor com um valor DevNonce que já tenha sido usado anteriormente, o servidor ignorará a solicitação, evitando uma catástrofe no sistema conhecida como ataques de repetição.

Downlink : a ligação (conexão) de um satélite para uma estação terrestre. A frequência dos sinais de downlink tende a ser mais ampla para cobrir uma grande área da Terra e fornecer o máximo de serviços possível.

Ciclo de trabalho : a porcentagem da razão entre a duração do pulso, ou largura do pulso (PW), e o período total (T) da forma de onda. Ciclo de trabalho = PW/T * 100%

Aqui está um diagrama para ajudar você a visualizar melhor o que é um ciclo de trabalho:

Dispositivo final/Nó/Ponto de extremidade : um dispositivo de hardware com capacidade para se conectar à Internet. O termo pode se referir a computadores desktop, laptops, smartphones, tablets, thin clients, impressoras ou, literalmente, qualquer objeto que possa se conectar à Internet.

Canal de frequência : quando uma banda é canalizada, significa que existem frequências discretas específicas que um dispositivo (como um rádio) usará para transmitir dados. Em vez de escolher arbitrariamente frequências aleatórias para usar dentro da banda, um dispositivo ou rede se limitará a um determinado intervalo de frequências para aumentar a eficiência e evitar o desperdício de tempo entre diferentes frequências. Por exemplo, para uma banda de 28-29 MHz, 3 canais diferentes de 100 kHz poderiam ser 28,1 MHz, 28,2 MHz, 28,3 MHz, etc.

Front-end : usuários (como um ser humano ou um programa) interagem diretamente com o aplicativo.

LoRa : uma tecnologia proprietária de modulação de rádio por espectro espalhado por chirp (CSS) para LPWAN usada pelo LoRaWAN. LoRa é a camada física, LoRaWAN é a rede.

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network): um protocolo de camada de controle de acesso ao meio (MAC) para gerenciar a comunicação entre gateway e dispositivos de nó final, mantido pela LoRa Alliance.

LPWAN (Low-Power Wide Area Network): uma tecnologia de rede de longa distância sem fio especializada na interconexão de dispositivos com conectividade de baixa largura de banda, com foco em alcance e eficiência energética.

NwkSKey : é usado tanto pelo servidor de rede quanto pelo dispositivo final para calcular e verificar o MIC (código de integridade da mensagem) de todas as mensagens de dados, garantindo a integridade dos dados.

Taxa de transferência : uma medida de quantas unidades de informação um sistema pode processar em um determinado período de tempo.

Uplink : a ligação (conexão) de uma estação terrestre até um satélite. Em IoT , os sinais precisam atravessar a atmosfera, onde a atenuação é inevitável (devido à chuva, por exemplo). Para evitar ao máximo a atenuação, as estações na Terra amplificam seus sinais de uplink com mais potência, de modo que a frequência fique mais estreita (para que o sinal possa "passar" por entre as obstruções do ambiente). Portanto, os sinais de uplink geralmente têm frequências mais altas do que os sinais de downlink.