Explicando LoRaWAN

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

Assim como as listadas acima, LoRaWAN é uma rede de conexão sem fio para comunicação de dados com a internet. LoRaWan rapidamente se diferencia à medida que se torna conhecido e adaptado para IoT (Internet das Coisas) que exigem conectividade de longo alcance e baixo consumo de energia com a Internet sem WiFi. LoRaWan é uma ótima resposta para sensores remotos alimentados por bateria ou dispositivos que se comunicam por longas distâncias ou em locais remotos. LoRaWan disse simplesmente que os dados dos pacotes são enviados, quando necessário, por longas distâncias para o gateway , que encaminha esses pacotes de dados ao servidor para armazenamento, computação ou visualização.

Para nos familiarizarmos mais com LoRaWAN, voltemos a 2009, quando o precursor do LoRaWAN chamado LPWAN começou na França:

LPWAN é uma rede de longa distância de telecomunicações sem fio projetada para permitir comunicações de longo alcance com baixa taxa de bits para coisas (objetos conectados), como sensores operando com bateria com baixos requisitos de energia.
LPWAN permite conectividade para redes de dispositivos que exigem menos largura de banda do que o equipamento doméstico padrão fornece
LPWAN também suportam mais dispositivos em uma área de cobertura maior do que as tecnologias móveis de consumo e têm melhores capacidades de bidirecionalidade
Redes como WiFi e Bluetooth são mais adequadas para IoT no nível do consumidor , no entanto, LPWAN é mais abundante em IoT industrial aplicações cívicas e comerciais

LPWAN é a rede cumulativa que engloba LoRaWAN. Portanto, os dois não são sinônimos, mas sim duas redes separadas. A LPWAN surgiu primeiro e depois adotou várias redes, cada uma com sua formação histórica única. Algumas dessas redes adotadas incluem AlarmNet (que mais tarde passou a ser propriedade da Honeywell), a rede 2G e LoRaWAN, que foi criada por um grupo chamado aliança LoRa em 2014 e está entre os protocolos líderes e favoritos para dispositivos conectados.

Como funciona o LoRaWAN:

NOTA : Uma lista de termos e definições comuns foi incluída no final desta postagem como um Glossário.

Usando o infográfico acima, os sensores conectados à Internet são chamados de dispositivos finais . Sempre que o sensor faz uma leitura, o dispositivo envia condicionalmente um sinal (pacote de dados) que o gateway envia para capturar os dados. Agora, os dados no gateway usam FSK ( Frequency Shift Keying ) para transmitir esses dados da maneira mais eficiente possível ao servidor usando um processo chamado Chirp Spread Spectrum (CSS). À medida que o pacote de dados do dispositivo final entra no circuito do gateway , ele vem em “chirps” ou símbolos que representam informações digitais (como abaixo). O chirp é então analisado no domínio da frequência e, em seguida, um sinal modulado para transporte eficiente de dados.

O hardware LoRa, após converter o sinal de entrada para o domínio da frequência, procura dentro da banda outros canais de frequência melhores que possam 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 rápida transmissão de dados.

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

Durante esta modulação de frequência, outros circuitos integrados dentro do gateway LoRa realizam outras modulações de “melhoria”, como filtrar o ruído ou a irregularidade que você vê em um sinal.

Outra razão pela qual LoRaWAN é uma rede de baixo consumo de energia e longo alcance é graças a um processo chamado ADR ( Adaptive Data Rate ). Assim como o processo FSK “muda” 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 . É assim que a “conversa” é feita entre dispositivo e servidor:

Os dispositivos finais (nós) enviam constantemente de uplink para o servidor de rede LoRaWAN. Essas mensagens de uplink são compostas por muitas informações sobre os últimos 20 sinais do nó.
O servidor da rede analisa o histórico recente do nó e faz comparações para ver quanta “margem” existe para fazer alterações
A rede pode observar que existe uma “margem” para sacrificar o alcance por algo mais útil, como uma taxa de dados mais rápida. (Observe no diagrama que a lixeira está enviando seus dados para mais gateway do que qualquer outro dispositivo)
Em vez de enviar mensagens mais lentas para gateway distantes, o servidor prefere que o dispositivo final envie uma mensagem rápida para um gateway próximo.
Conseqüentemente, o ADR aproveita oportunidades que irão aumentar a taxa de dados. Se os sacrifícios feitos ajudarem o sistema a operar com mais eficiência, então o sacrifício será feito usando ADR.

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

Compensações

Como em todas as aplicações de engenharia, existem compensações no mundo LoRaWAN quando se trata de potência, velocidade e alcance. Este diagrama simples abaixo mostra os pontos a serem considerados.

Aumentando o tempo do bit de dados ——-> reduz a taxa de dados ——-> velocidade mais baixa
Diminuindo o tempo do bit de dados ——-> aumenta a taxa de dados ——-> velocidade mais alta
Aumentando o alcance e reduzindo a potência ——-> velocidade mais baixa
Aumentando o alcance e acelerando a velocidade ——–> requer maior potência
Aumentando a velocidade e reduzindo a potência ——-> alcance mais curto

Bandas de frequência

LoRaWAN usa frequências de rádio mais baixas em um alcance mais longo, e as bandas de frequência diferem entre os países.

Europa : bandas 863-870 MHz e 433 MHz (868 MHz usados 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 902-928 MHz, dividida em 8 sub-bandas. 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 da Europa, os dos EUA são classificados como canais de uplink e downlink
Austrália : banda 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 da banda dos EUA.
China : banda 779-787 MHz, com três canais comuns de 125 kHz (779,5, 779,7 e 779,9 MHz), e também existe uma banda 470-510 MHz, com 96 canais uplink e 48 canais downlink

Aulas

LoRaWAN categoriza seus dispositivos finais em três classes diferentes para atender às diferentes 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 Classe A funcionam apenas em aplicações onde enviam uma transmissão de uplink e aguardam a comunicação de downlink do servidor logo após
mensagens de uplink podem ser enviadas a qualquer momento
depois de enviar uma mensagem de uplink, os dispositivos Classe A abrem duas janelas de recebimento em horários especificados
o servidor pode responder em qualquer janela
o slot de transmissão (time slot) programado 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 é o processo cronológico do processo de uplink/downlink do dispositivo final classe A. Primeiro, ele envia um sinal de uplink, espera e depois abre a primeira janela de recebimento; espera novamente e abre uma segunda janela de recebimento. As próximas duas linhas demonstram bem-sucedida de um de downlink após os sinais de downlink serem capturados pela janela de recepção. A última linha demonstra malsucedida de um sinal de downlink porque ele não é capturado pelo dispositivo final em nenhuma das janelas de recepção.

Classe B:

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

Classe C:

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

Ativação Over-The-Air (OTAA)

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

Para ativação over-the-air, os dispositivos finais devem seguir um procedimento de adesão antes de participarem de trocas de dados com o servidor de rede.
O procedimento de junção exige que o dispositivo final seja personalizado com as seguintes informações antes de iniciar o procedimento de junção: um identificador de dispositivo final globalmente exclusivo ( DevEUI ), o identificador de aplicativo ( AppEUI ) e uma chave AES-128 ( AppKey ).
O procedimento de junção consiste em duas mensagens MAC (controle de acesso à mídia) trocadas com o servidor, ou seja, uma solicitação de adesão e uma aceitação de adesão .
O dispositivo final envia a mensagem de solicitação de adesão que consiste em AppEUI e DevEUI do dispositivo final seguido pelo DevNonce.
A mensagem de solicitação de junção pode ser transmitida usando qualquer taxa de dados e seguindo uma sequência eficiente de salto de frequência através dos canais de junção especificados.
O servidor de rede responderá à mensagem de solicitação de adesão com uma mensagem de aceitação de adesão se o dispositivo final tiver permissão para ingressar em uma rede.
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 será concluído.

Ativação por Personalização (ABP)

Sob certas circunstâncias, os dispositivos finais podem ser ativados por personalização. A ativação por personalização vincula diretamente um dispositivo final a uma rede específica, ignorando a solicitação de adesão – procedimento de aceitação de adesão. Portanto, ao contrário do OTAA, o DevAddr e as duas chaves de sessão NwkSKey e AppSKey são armazenadas diretamente no dispositivo final em vez de DevEUI, AppEUI e AppKey. Simplesmente, o dispositivo final já está equipado com as informações necessárias para participar de uma rede LoRa específica quando iniciado.

A vantagem do ABP é que ele é fácil de conectar à rede porque o dispositivo pode ficar operacional 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 estão pré-configuradas no dispositivo, o que enfraquece a segurança.

Conclusão

Para resumir, os pontos-chave do LoRaWan :

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

Glossário de Termos

Consulte esta seção para obter definições de termos técnicos para ajudá-lo a entender o LoRaWAN. Para sua conveniência, essas palavras estarão em negrito no tutorial quando usadas.

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

AppEUI : é um ID de aplicativo global que aborda o espaço e identifica exclusivamente o provedor do aplicativo (proprietário) do dispositivo final.

AppKey : uma chave de aplicativo AES-128 específica para o dispositivo final atribuída pelo proprietário do aplicativo. O AppKey é usado para derivar as chaves de sessão NwkSKey e AppSKey específicas para esse dispositivo final para criptografar e verificar a comunicação de rede e os dados do aplicativo.

AppSKey : é usado pelo servidor de rede e 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 quantos dados podem ser enviados através de 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 e também pelo baixo consumo de energia

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

Taxa de dados : quantidade de dados digitais que são movimentados de um lugar para outro em um determinado tempo; pode ser visto como a velocidade de viagem de uma determinada quantidade de dados de um lugar para outro, com base na largura da largura de banda

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

DevEUI : um espaço de endereço 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 usado anteriormente, o servidor ignorará a solicitação, evitando uma catástrofe de sistema conhecida como ataques de repetição.

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

Ciclo de trabalho : a porcentagem da relação 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 ajudá-lo a visualizar melhor o que é um ciclo de trabalho:

Dispositivo final/nó/ponto final : um dispositivo de hardware de computador com capacidade para 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, isso significa que existem frequências discretas específicas que um dispositivo (como um rádio) usará e transmitirá dados. Em vez de escolher arbitrariamente frequências aleatórias para usar dentro da banda, um dispositivo ou rede seguirá um determinado tamanho de passo para aumentar a eficiência e evitar o desperdício de lacunas entre as 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 : os usuários (como um ser humano ou um programa) interagem diretamente com o aplicativo

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

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network): um protocolo de camada de controle de acesso à mídia (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 para interconectar dispositivos com conectividade de baixa largura de banda, com foco no alcance e na eficiência energética

NwkSKey : é usado pelo servidor de rede e pelo dispositivo final para calcular e verificar o MIC (código de integridade da mensagem) de todas as mensagens de dados para garantir 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 : o link (conexão) de uma estação terrestre até um satélite. Nas IoT , os sinais devem atravessar a atmosfera onde a atenuação é inevitável (da chuva, por exemplo). Para evitar o máximo de atenuação possível, as estações na Terra aumentam os seus sinais de uplink com mais potência para que a frequência seja mais estreita (para que o sinal possa “caber” através de obstruções no ambiente). Conseqüentemente, os sinais de uplink geralmente têm frequências mais altas do que os sinais de downlink.