Conectividade atual e futura; explorando as ligações Cat-M1, NB-IoT e LPWAN

Se está a ligar dispositivos (sensores, actuadores, beacons ou gateways) à Internet, está a construir uma solução de Internet das Coisas. Embora não se trate de um conceito novo, a expansão do acesso à Internet, principalmente à nuvem, combinada com custos mais baixos de hardware e conetividade, as soluções IoT - também conhecidas como aplicações IoT - estão mais disponíveis do que nunca. O valor acrescentado que estas soluções trazem ao trabalho e à vida quotidiana começa com a forma como um sensor ou gateway se liga à Internet. Escolher a melhor conetividade para uma solução IoT é fundamental para o sucesso das aplicações. Neste artigo, vamos explorar as tecnologias que levam os dados à Internet.

Os dispositivos ligam-se à Internet de duas formas: com ou sem fios. Normalmente utilizado em ambientes industriais, Ethernet foi a solução com fios de eleição durante décadas para recolher dados em todos os tipos de aplicações de monitorização. Depois, nos anos 90, houve um enorme avanço com o fornecimento de WiFi e rádio como o ZigBee e Bluetoothdeixando os fios para trás e desbloqueando novas formas de recolha de dados para as indústrias adoptarem. Em linha com os avanços do WiFi, também se verificaram avanços nas infra-estruturas de comunicação celular, como 2G, 3G e depois 4G (em breve - 5G), que oferecem a combinação de velocidades e cobertura mais elevadas. Por muito bons e fiáveis que sejam estes tipos de conetividade, todos eles têm o grande problema da necessidade excessiva de energia para transmitir dados para a Internet.

Em busca de uma solução melhor, os empresários e os líderes do sector correram para o que acreditavam ser a solução perfeita para as aplicações IoT. O resultado desta corrida à transmissão de dados é atualmente conhecido como LPWAN (rede de área alargada de baixa potência). Concebidos especificamente para permitir comunicações de longo alcance até 10-40 km em zonas rurais e 1-5 km em zonas urbanas, os dispositivos LPWAN têm normalmente uma duração de bateria de mais de 4 anos graças à codificação de poupança de energia denominada modo de suspensão. Algumas das externalidades imediatas da LPWAN incluem imensas poupanças de custos (graças à ausência de fios), desenvolvimento de aplicações e custos de funcionamento mais simples (em parte, graças ao avanço das redes descentralizadas que se desenvolveu em paralelo com os avanços da conetividade) e um maior alcance para servir aplicações rurais para empresas, organizações de segurança e investigadores. Com a LPWAN, o hardware pode estar onde as pessoas não podem.

Em 2009, a Sigfox entrou em cena para fornecer uma ligação LPWAN como uma organização privada e não podia ser ignorada pela concorrência das redes celulares. Após alguns anos de desenvolvimento privado, as operadoras de telemóveis como a Verizon e a T-Mobile começaram a implementar as suas próprias soluções, LTE Cat-M e NB-IoT respetivamente, para opções de conetividade de dispositivos IoT de baixo consumo.

A Sigfox é um operador de rede LPWAN que oferece cobertura de conetividade IoT de dispositivo para nuvem em 45 países e regiões. A rede Sigfox consiste em estações de base proprietárias implantadas de forma privada, localizadas em diferentes regiões do globo, que podem receber mensagens (dados brutos) de dispositivos através de uma frequência de rádio. A rede Sigfox liga dispositivos no terreno a clusters de servidores em nuvem back-end utilizando uma rede baseada em IP. Assim que a mensagem é enviada do dispositivo para a estação de base e recebida no backend Sigfox, os utilizadores podem gerir os dados recebidos com diferentes plataformas de ativação IoT, utilizando chamadas de retorno HTTP ou o Sigfox API. A Sigfox suporta a comunicação bidirecional, mas está severamente limitada nas capacidades de comunicação diária: as mensagens de ligação ascendente estão limitadas a 140 mensagens e as mensagens de ligação descendente estão limitadas a 4 mensagens para o maior tamanho de subscrição. Além disso, o tamanho máximo por mensagem de ligação ascendente é de 12 bytes (não demasiado grande).

Com estas limitações, a Sigfox é sem dúvida uma solução de baixo consumo de energia para aplicações de campo IoT e perfeita para AgTech e Monitorização Remota de Condições. A Sigfox é uma boa opção para hardware IoT de baixo custo e baixo consumo de energia para enviar dados em longas distâncias (quando há cobertura na área).

As principais caraterísticas da Sigfox incluem

• Alta QoS: Um dispositivo não está ligado a uma estação de base específica. As suas mensagens difundidas são recebidas por qualquer estação de base dentro do alcance, que é de 3 em média, e não há necessidade de confirmação de mensagem. A diversidade espacial aliada à diversidade de tempo e frequência das repetições de quadros de rádio conduzem a uma elevada qualidade de serviço da rede Sigfox.
• Elevada resistência a interferências: a robustez intrínsecado UNB, associada a uma diversidade espacial das estações de base, oferece grandes capacidades anti-jamming. A UNB é extremamente robusta num ambiente com sinais de espetro alargado. A UNB é a melhor escolha para operar na banda ISM pública.
• Alcance muito longo: A baixa taxa de bits e a modulação de rádio simples permitem uma ligação económica de 163,3 dB para comunicações de longo alcance.
• Alta eficiência energética: O protocolo de rádio Sigfox reduz o tamanho do quadro de rádio e não é necessária sincronização com a rede. A combinação de um baixo nível de emissão de energia e uma curta duração de emissão (menos de um minuto por dia) permite a máxima autonomia aos dispositivos.
• Alta capacidade de rede: A pequena pegada da UNB permite mais sinais simultâneos dentro da banda de operação, além disso, o protocolo Sigfox reduz o tamanho dos quadros de rádio. Estas duas caraterísticas combinadas com a utilização da tecnologia de rádio cognitiva permitem que a rede Sigfox atinja uma elevada capacidade. (Fonte: sigfox.com)

Paralelamente aos avanços da Sigfox, foi também desenvolvido o protocolo LoRa(Longa distância). LoRa, também uma tecnologia LPWAN, especifica uma camada física que modula o sinal usando uma técnica proprietária de espetro espalhado. O LoRa utiliza bandas ISM não licenciadas, permitindo que os clientes criem uma rede aberta, sem a necessidade de autorização dos reguladores de radiofrequência. A modulação chirp spread spectrum (CSS) espalha um sinal de banda estreita por uma largura de banda de canal mais ampla, proporcionando comunicação bidirecional. A LoRa utiliza seis factores de propagação em que as mensagens são transmitidas e recebidas simultaneamente pelas estações de base LoRa, com um tamanho máximo por mensagem de 246 bytes.

À medida que a Sigfox e a LoRA cresciam, elas precisavam ser contidas para que indivíduos, empresas, e governos pudessem confiar em um tipo de conexão padronizado e controlado. Para conseguir isso, em 2015 um protocolo de comunicação baseado em LoRa foi padronizado pela então criada LoRa-Alliance. Esse protocolo LoRa padronizado ficou conhecido como LoRaWAN e é um protocolo de rede que usa a tecnologia LoRa para comunicar e gerenciar hardware (nós e gateways) em locais remotos. Os nós são dispositivos finais que enviam e recebem dados de/para o gateway que gerencia e envia mensagens para um servidor de rede LoRaWAN pré-configurado no gateway.

As principais caraterísticas dos protocolos LoRa e LoRaWAN incluem

• Baixo custo: Reduz os custos de três formas: investimento em infra-estruturas, despesas de funcionamento e sensores de nó final
• Padronizado: A interoperabilidade global melhorada acelera a adoção e a implementação de redes baseadas em LoRaWAN e aplicações IoT
• Baixo consumo de energia: Protocolo concebido especificamente para um baixo consumo de energia, prolongando a vida útil da bateria até 20 anos
• Longo alcance: Uma única estação de base proporciona uma penetração profunda em regiões urbanas/interiores densas. Em teoria, em áreas rurais, o alcance é de até 30 milhas. Nós da Ubidots testamos rádios LoRa em áreas urbanas e alcançamos distâncias de até 1 milha com antenas básicas de 900 MHz.
• Seguro: Encriptação AES128 de ponta a ponta incorporada
• Elevada capacidade: Suporta milhões de mensagens por estação de base, ideal para operadores de redes públicas que servem muitos clientes

Mais recentemente, a concorrência entre provedores de telefonia celular e soluções LoRa chegou ao ápice com os lançamentos do serviço Cat-M1 da Verizon e da rede Narrowband IoT (NB-IoT) da T-Mobile. A começar pelo Cat-M ou LTE Cat-M1 da Verizon, uma conetividade de área ampla de baixa potência (LPWA) otimizada para dispositivos IoT e M2M. A Cat-M é ideal para soluções com requisitos de taxa de dados média - velocidades de upload e download de 375 kb/s em modo half-duplex com um tamanho máximo de mensagem de 1500 bytes numa comunicação de dados bidirecional. A estas velocidades, o LTE Cat-M1 permite actualizações remotas de firmware over-the-air (FOTA) em prazos razoáveis, melhorando a manutenção e o suporte de hardware para hardware implementado em zonas rurais. Uma vez que a Cat-M1 foi concebida tendo em mente a eficiência da IoT, os requisitos de hardware para a taxa de dados, o alcance, a latência e a velocidade de carregamento e descarregamento tornaram-se os pontos de foco para reforçar a batalha da rede celular contra a tecnologia LoRa.

Tal como acontece com muitos lançamentos feitos por fornecedores de telemóveis concorrentes, a T-Mobile seguiu rapidamente o lançamento da Verizon com o seu próprio lançamento, denominado NB-IoT, que permite uma vasta gama de dispositivos e serviços IoT utilizando torres de telecomunicações celulares, coexistindo com GSM e LTE nas bandas de frequência licenciadas. A NB-IoT oferece um requisito de taxa de dados de ~50kb/s para velocidades de carregamento e descarregamento em modo half-duplex. Além disso, liga dispositivos de forma eficiente em redes móveis já estabelecidas, pode lidar com um tamanho máximo de mensagem de 1600 bytes em comunicação de dados bidirecional, melhora os requisitos de consumo de energia dos dispositivos finais e proporciona um excelente alcance alargado em edifícios ou no subsolo - coisas com que o LoRa e a rede celular normal terão dificuldades.

Comparando o NB-IoT com o LTE Cat M1, ambos recebem e tratam dados entre torres de telemóveis, à semelhança do LTE de alta velocidade. A principal diferença entre estes tipos de ligação é a forma como os dados dos dispositivos em movimento são comunicados à Internet quando estão em movimento. Se um dispositivo se deslocar do ponto A para um ponto B distante, atravessando várias células de redes diferentes, o dispositivo Cat M1 nunca deixará cair a ligação porque se comporta da mesma forma que um telemóvel, ligando-se de torre em torre à medida que se desloca. Os dispositivos NB-IoT, por outro lado, não transferem a ligação e, em vez disso, têm de restabelecer uma nova ligação a uma nova torre de telemóvel sempre que se perde uma torre e se detecta uma nova torre.

O diagrama abaixo compara as tecnologias LPWAN concebidas para soluções IoT.

Com base neste diagrama, as diferenças técnicas e a adequação a diferentes tipos de aplicações podem ser optimizadas com a conetividade correta. Por exemplo:

• Em aplicações de Smart Farming, as tecnologias LPWAN se destacam devido às capacidades de longo alcance e duração da bateria. No entanto, LoRa pode ser a melhor opção nos casos em que não há cobertura Sigfox.
• No mundo da produção e da automatização:
• Para a monitorização de máquinas em tempo real, as boas e velhas ligações como Ethernet ou WiFi continuam a ser opções ideais - pelo menos para fábricas que já oferecem acesso à Internet. No entanto, para ambientes industriais remotos, como tanques, tubagens e/ou turbinas remotas, o NB-IoT é uma escolha adequada porque promete maior fiabilidade e regularidade na transmissão de dados em comparação com o Sigfox.
• Aplicações como o rastreio de activos ou a monitorização do estado são ideais para a Sigfox, caso exista cobertura disponível, ou para a LTE Cat-M nos casos em que o ativo muda de localização (ou seja, rastreio de camiões ou camiões-cisterna).
• Em aplicações de edifícios inteligentes, onde diferentes variáveis como temperatura, humidade, fluxo de água, consumo elétrico, etc... podem ser utilizadas para alertar a gestão da propriedade de medidas preventivas para máquinas ou sistemas críticos. O Sigfox é uma óptima opção porque poupa o custo e o esforço de instalar e manter um gateway por edifício, no entanto, tenha cuidado com a penetração do sinal, uma vez que pode ser fraca em caves ou no centro dos edifícios. Se, depois de efetuar um teste de sinal Sigfox, não conseguir obter cobertura, então LoRa será o cavaleiro andante para resolver os problemas de penetração.

Em conclusão, o tipo de conetividade ideal para a sua solução/aplicação ligada à Internet baseia-se melhor no ambiente em que o seu dispositivo se encontra e no tamanho da sua carga de dados. Para um dispositivo de baixo custo com capacidades de longo alcance e cargas úteis mais pequenas, recomendamos uma solução LoRa ou Sigfox (se a Sigfox estiver implantada na sua área). E, à medida que as redes NB-IoT e Cat-M1 continuarem a ser implantadas em áreas de serviço, a sua atração e serviços continuarão a melhorar, tornando estas opções tão valiosas como as suas antecessoras, como a 2G e a 3G, mas com menor custo e maior eficiência energética. Por último, para as aplicações que exigem taxas de dados elevadas ou que utilizam hardware que consome muita energia, a solução WiFi ou Ethernet com fios, já testada e comprovada, continua a ser a mais adequada.

Para continuar a aprender formas de comunicar os seus dados com a Internet, junte-se à newsletter da Ubidots e consulte o Blogue da Ubidots, que é atualizado regularmente com excelentes materiais de desenvolvimento e implementação da IoT para o ajudar a ligar os pontos à Internet das Coisas.