Conectividade agora e no futuro: explorando conexões Cat-M1, NB-IoTe LPWAN

Se você estiver conectando dispositivos (sensores, atuadores, beacons ou gateway ) à internet, estará criando uma solução de Internet das Coisas (IoT). Embora não seja um conceito novo, o acesso crescente à internet, principalmente à nuvem, aliado à redução dos custos de hardware e conectividade, IoT — também conhecidas como IoT — mais acessíveis do que nunca. O valor agregado que essas soluções trazem para o trabalho e a vida cotidiana começa com a forma como um sensor ou gateway se conecta à internet. Escolher a melhor conectividade para uma IoT é fundamental para o sucesso de uma aplicação. Neste artigo, exploraremos as tecnologias que permitem a transmissão de dados para a internet.

Os dispositivos se conectam à internet de duas maneiras: com fio ou sem fio . Comumente usada em ambientes industriais, a Ethernet foi a solução com fio preferida por décadas para coletar dados em todos os tipos de aplicações de monitoramento. Então, na década de 1990, houve um grande avanço com o surgimento do Wi-Fi e de rádio como ZigBee e Bluetooth , deixando os fios para trás e abrindo novas formas de coleta de dados para as indústrias adotarem. Em paralelo aos avanços do Wi-Fi, também houve avanços nas infraestruturas de comunicação celular, como 2G , 3G e, posteriormente, 4G (e em breve, 5G), que oferecem a combinação de velocidades e cobertura mais altas. Por melhores e mais confiáveis ​​que sejam esses tipos de conectividade, todos eles têm o grande problema do alto consumo de energia para transmitir dados para a internet.

Em busca de uma solução melhor, empreendedores e líderes do setor competiram para encontrar o que acreditavam ser a solução perfeita para IoT . O resultado dessa corrida pela transmissão de dados é hoje conhecido como LPWAN ( rede de longa distância de baixa potência ). Projetados especificamente para permitir comunicações de longo alcance, de 10 a 40 km em zonas rurais e de 1 a 5 km em zonas urbanas, os dispositivos LPWAN geralmente possuem uma duração de bateria de mais de 4 anos, graças a um recurso de economia de energia chamado modo de hibernação . Algumas vantagens imediatas do LPWAN incluem imensa economia de custos (graças à ausência de fios), desenvolvimento de aplicações e custos operacionais mais simples (em parte, graças ao avanço das redes descentralizadas, que se desenvolveu em conjunto com os avanços na conectividade) e um alcance maior para atender aplicações rurais para empresas, organizações de segurança e pesquisadores. Com o LPWAN, o hardware pode estar onde as pessoas não podem.

Em 2009, a Sigfox surgiu no mercado oferecendo uma conexão LPWAN como uma organização privada, tornando-se uma opção incontornável para a concorrência das redes celulares. Após alguns anos de desenvolvimento independente, operadoras como a Verizon e a T-Mobile começaram a implementar suas próprias soluções, LTE Cat-M e NB- IoT , respectivamente, para conectividade de dispositivos IoT

IoT de dispositivo para nuvem em 45 países e regiões. A rede Sigfox consiste em estações base proprietárias implantadas em diferentes regiões do globo, capazes de receber mensagens (dados brutos) de dispositivos por meio de radiofrequência. A rede Sigfox conecta dispositivos de campo a clusters de servidores em nuvem utilizando uma rede baseada em IP. Após o envio da mensagem do dispositivo para a estação base e seu recebimento no backend da Sigfox, os usuários podem gerenciar os dados recebidos com diferentes plataformas de habilitação IoT utilizando callbacks HTTP ou a API da Sigfox. A Sigfox suporta comunicação bidirecional, mas possui limitações significativas em sua capacidade de comunicação diária: o número de mensagens de uplink é limitado a 140 e o de mensagens de downlink a 4, mesmo para o plano de assinatura mais completo. Além disso, o tamanho máximo por mensagem de uplink é de 12 bytes (um valor bastante limitado).

Com essas limitações, o Sigfox é sem dúvida uma solução de baixo consumo de energia para aplicações IoT em campo, sendo perfeito para AgTech e Monitoramento Remoto de Condições. O Sigfox é uma ótima opção para hardware IoT de baixo custo e baixo consumo de energia para envio de dados em longas distâncias (quando há cobertura na área).

As principais características do Sigfox incluem:

• Alta qualidade de serviço (QoS): Um dispositivo não está vinculado a uma estação base específica. Suas mensagens transmitidas são recebidas por qualquer estação base dentro do alcance, que é de 3 em média, e não há necessidade de confirmação de recebimento da mensagem. A diversidade espacial, aliada à diversidade temporal e de frequência das repetições de quadros de rádio, resulta na alta qualidade de serviço da rede Sigfox.
• Alta resiliência a interferências: da UNB , aliada à diversidade espacial das estações base, oferece excelente capacidade anti-interferência. A UNB é extremamente robusta em ambientes com sinais de espectro espalhado. A UNB é a melhor opção para operar na banda ISM pública.
• Longo alcance: A baixa taxa de bits e a modulação de rádio simples permitem uma ligação com um orçamento 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 requer 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 máxima autonomia aos dispositivos.
• Alta capacidade de rede: O tamanho reduzido do UNB permite mais sinais simultâneos na banda de operação; além disso, o protocolo Sigfox reduz o tamanho dos quadros de rádio. Essas duas características, combinadas com o uso da tecnologia de rádio cognitiva, permitem que a rede Sigfox alcance alta capacidade. (Fonte: sigfox.com )

Paralelamente aos avanços do Sigfox, o protocolo LoRa ( Long Range ) também foi desenvolvido. O LoRa, também uma tecnologia LPWAN, especifica uma camada física que modula o sinal usando uma técnica proprietária de espectro espalhado. O LoRa utiliza bandas ISM não licenciadas , permitindo que os clientes criem uma rede aberta, sem a necessidade de autorização dos órgãos reguladores de radiofrequência. A espectro espalhado por chirp (CSS) espalha um sinal de banda estreita por uma largura de banda de canal maior, proporcionando comunicação bidirecional. O LoRa utiliza seis fatores de espalhamento, onde as mensagens são transmitidas e recebidas simultaneamente pelas estações base LoRa, com um tamanho máximo por mensagem de 246 bytes.

À medida que o Sigfox e o LoRa cresciam, precisavam ser contidos para que indivíduos, empresas e governos pudessem confiar em um tipo de conexão padronizado e controlado. Para alcançar esse objetivo, 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 utiliza a tecnologia LoRa para comunicação e gerenciamento de hardware (nós e gateway ) em locais remotos. Os nós são dispositivos finais que enviam e recebem dados do gateway , que gerencia e encaminha mensagens para um servidor de rede LoRaWAN pré-configurado no gateway .

As principais características dos protocolos LoRa e LoRaWAN incluem:

• Baixo custo: Reduz custos de três maneiras: investimento em infraestrutura, despesas operacionais e sensores nos nós finais.
• Padronização: A interoperabilidade global aprimorada acelera a adoção e a implementação de redes baseadas em LoRaWAN e aplicações IoT
• Baixo consumo de energia: Protocolo projetado especificamente para baixo consumo de energia, prolongando a vida útil da bateria em até 20 anos.
• Longo alcance: Uma única estação base proporciona ampla penetração em regiões urbanas densas e ambientes internos. Em teoria, em áreas rurais, o alcance chega a 48 quilômetros (30 milhas). Nós, da Ubidots , testamos rádios LoRa em áreas urbanas e alcançamos distâncias de até 1,6 quilômetros (1 milha) com antenas básicas de 900 MHz .
• Segurança: Criptografia AES128 de ponta a ponta integrada
• Alta capacidade: Suporta milhões de mensagens por estação base, ideal para operadoras de redes públicas que atendem muitos clientes.

Mais recentemente, a competição entre as operadoras de telefonia celular e as soluções LoRa atingiu o ápice com o lançamento do serviço Cat-M1 da Verizon e da rede Narrowband IoT (NB-IoT) da T-Mobile. Começando com o Cat-M ou LTE Cat-M1 da Verizon, uma conectividade de baixa potência e longo alcance (LPWA) otimizada para dispositivos IoT e M2M. O Cat-M é ideal para soluções com requisitos de taxa de dados médios – velocidades de upload e download de 375 kb/s em modo half-duplex com um tamanho máximo de mensagem de 1500 bytes em uma comunicação de dados bidirecional. Nessas velocidades, o LTE Cat-M1 oferece atualizações remotas de firmware over-the-air (FOTA) em prazos razoáveis, melhorando a manutenção e o suporte de hardware para dispositivos implantados em áreas rurais. Como o Cat-M1 foi projetado com foco na eficiência IoT , os requisitos de hardware para taxa de dados, alcance, latência e velocidade de upload e download tornaram-se os pontos focais para fortalecer a disputa da telefonia celular com a tecnologia LoRa.

Assim como muitos lançamentos feitos por operadoras de telefonia celular concorrentes, a T-Mobile logo seguiu o lançamento da Verizon com sua própria tecnologia, denominada NB- IoT , que permite uma ampla gama de IoT usando torres de telecomunicações celulares, coexistindo com GSM e LTE nas faixas de frequência licenciadas. O NB- IoT oferece uma taxa de dados de aproximadamente 50 kb/s para upload e download em modo half-duplex. Além disso, conecta dispositivos de forma eficiente em redes móveis já estabelecidas, suporta mensagens de até 1600 bytes em comunicação de dados bidirecional, melhora os requisitos de consumo de energia dos dispositivos finais e oferece um excelente alcance estendido em edifícios ou no subsolo – características que o LoRa e as tecnologias celulares padrão apresentam dificuldades.

Comparando o NB-IoT com o LTE Cat M1, ambos recebem e processam dados entre torres de celular, de forma semelhante ao LTE de alta velocidade. A principal diferença entre esses tipos de conexão reside na forma como os dados dos dispositivos em movimento são comunicados à internet. Se um dispositivo se desloca do ponto A para um ponto B distante, atravessando diversas células de rede diferentes, o dispositivo Cat M1 nunca perderá a conexão, pois se comporta como um celular, conectando-se de torre em torre à medida que se move. Os dispositivos NB-IoT , por outro lado, não transferem a conexão e, em vez disso, precisam restabelecer uma nova conexão com uma nova torre de celular sempre que uma torre é perdida e uma nova é detectada.

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

Com base nesse diagrama, as diferenças técnicas e a adequação para diferentes tipos de aplicações podem ser otimizadas com a conectividade correta. Por exemplo:

• Em de Agricultura Inteligente , as tecnologias LPWAN se destacam devido ao longo alcance e à duração da bateria. No entanto, o LoRa pode ser a melhor opção em casos onde não há cobertura Sigfox.
• No mundo da Manufatura e Automação
• Para monitoramento de máquinas em tempo real , as conexões tradicionais como Ethernet ou Wi-Fi ainda são opções ideais – pelo menos para fábricas que já oferecem acesso à internet. No entanto, para ambientes industriais remotos, como tanques, tubulações e/ou turbinas, o NB- IoT é uma escolha adequada, pois promete maior confiabilidade e regularidade na transmissão de dados em comparação com o Sigfox.
• Aplicações como rastreamento de ativos ou monitoramento de status são ideais para Sigfox, onde houver cobertura disponível, ou LTE Cat-M nos casos em que o ativo mudará de localização (por exemplo, rastreamento de caminhões ou tanques).
• Em de edifícios inteligentes , onde diferentes variáveis ​​como temperatura, umidade, fluxo de água, consumo de energia elétrica, etc., podem ser usadas para alertar a administração do prédio sobre medidas preventivas para máquinas ou sistemas críticos, o Sigfox é uma ótima opção, pois economiza o custo e o esforço de instalar e manter um gateway por edifício. No entanto, esteja ciente da penetração do sinal, que pode ser baixa em subsolos ou no centro dos edifícios. Se, após realizar um teste de sinal Sigfox, você não conseguir cobertura, o LoRa será a solução ideal para resolver os problemas de penetração.

Em resumo, o tipo de conectividade ideal para sua solução/aplicação conectada à Internet depende do ambiente em que seu dispositivo opera e do tamanho da sua carga de dados. Para dispositivos de baixo custo com longo alcance e cargas de dados menores, recomendamos uma solução LoRa ou Sigfox (caso a Sigfox esteja disponível em sua região). Além disso, à medida que as redes NB-IoT e Cat-M1 continuam a ser implantadas em áreas de cobertura, sua atratividade e serviços continuarão a melhorar, tornando essas opções tão valiosas quanto suas antecessoras, como 2G e 3G, porém com menor custo e maior eficiência energética. Por fim, para aplicações que exigem altas taxas de dados ou utilizam hardware com alto consumo de energia, as soluções tradicionais de Wi-Fi ou Ethernet com fio ainda são as mais adequadas.

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