Conectividade agora e além; explorando conexões Cat-M1, NB- IoT e LPWAN

Se você estiver conectando dispositivos (sensores, atuadores, beacons ou gateway ) à Internet, estará construindo uma solução de Internet das Coisas. Embora este não seja um conceito novo, a expansão do acesso à internet, principalmente à nuvem, combinada com menores custos de hardware e conectividade, IoT – também conhecidas como IoT – estão mais disponíveis do que nunca. O valor agregado que essas soluções trazem para o trabalho diário e para a vida 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 um Apps. Neste artigo, exploraremos tecnologias que levam dados à Internet.

Os dispositivos se conectam à Internet de duas maneiras: com ou sem fio . Comumente usada em ambientes industriais, a Ethernet foi a solução com fio preferida durante décadas para coletar dados em todos os tipos de aplicações de monitoramento. Então, na década de 1990, ocorreu um enorme avanço com o fornecimento de tecnologias WiFi e de rádio ZigBee e Bluetooth , deixando os fios para trás e abrindo novas formas de coleta de dados para as indústrias adotarem. Em linha com os avanços do WiFi, também o foram os avanços nas infraestruturas de comunicação celular como 2G , 3G e, em seguida, 4G (em breve – 5G), que oferecem a combinação de velocidades e cobertura mais altas. Por mais bons e confiáveis ​​que sejam esses tipos de conectividade, todos eles têm o principal problema de requisitos excessivos de energia para transmitir dados para a Internet.

Em busca de uma solução melhor, empreendedores e líderes do setor correram para o que acreditavam que se tornaria a solução perfeita para IoT . O resultado desta corrida de transmissão de dados é hoje conhecido como LPWAN ( low power wide area network ). Projetados especificamente para permitir comunicações de longo alcance de até 10 a 40 km em zonas rurais e de 1 a 5 km em zonas urbanas, os dispositivos LPWAN normalmente possuem bateria com duração de mais de 4 anos, graças à codificação de economia de energia chamada modo de suspensão . Algumas externalidades imediatas do LPWAN incluem imensa economia de custos (graças à falta de fios), desenvolvimento de aplicativos e custos operacionais mais simples (em parte, graças ao avanço das redes descentralizadas que foram desenvolvidas em conjunto com os avanços da conectividade) e um maior alcance para servir. aplicações rurais para empresas, organizações de segurança e pesquisadores. Com LPWAN, o hardware pode estar onde as pessoas não podem.

Em 2009, a Sigfox entrou em cena para fornecer uma conexão LPWAN como uma organização privada e não poderia ser ignorada pela concorrência de redes celulares. Após alguns anos de desenvolvimento privado, operadoras de telefonia celular como Verizon e T-Mobile começaram a implantar suas próprias soluções, LTE Cat-M e NB- IoT respectivamente, para IoT .

IoT dispositivo-nuvem em 45 países e regiões. A rede Sigfox consiste em estações 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 conecta dispositivos de campo a clusters de servidores em nuvem back-end usando uma rede baseada em IP. Depois que a mensagem é enviada do dispositivo para a estação base e recebida no back-end do Sigfox, os usuários podem gerenciar os dados recebidos com diferentes plataformas de ativação IoT usando retornos de chamada HTTP ou a API Sigfox. Sigfox suporta comunicação bidirecional, mas é severamente limitado em recursos de comunicação diária: mensagens de uplink são limitadas a 140 mensagens e mensagens de downlink limitadas a 4 mensagens para o maior tamanho de assinatura. Além disso, o tamanho máximo por mensagem de uplink é de 12 bytes (não muito grande).

Com essas restrições, o Sigfox é sem dúvida uma solução de baixo consumo de energia para aplicações de campo IoT e perfeita para AgTech e monitoramento remoto de condições. Sigfox é uma boa opção de hardware IoT de baixo custo e baixo consumo de energia para enviar dados em longas distâncias (quando há cobertura na área).

Os principais recursos do Sigfox incluem

• QoS alta: um dispositivo não está conectado a uma estação base específica. Suas mensagens transmitidas são recebidas por qualquer estação base no alcance, que é em média 3, e não há necessidade de confirmação de mensagem. A diversidade espacial aliada à diversidade de tempo e frequência das repetições de quadros de rádio levam a uma alta qualidade de serviço da rede Sigfox.
• Alta resiliência a interferências: do UNB aliada a uma diversidade espacial das estações base oferecem excelentes capacidades anti-jamming. O UNB é extremamente robusto em um ambiente com sinais de espectro espalhado. A UNB é a melhor opção para operar na banda ISM pública.
• Alcance muito longo: A baixa taxa de bits e a modulação de rádio simples permitem um link econômico 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 nenhuma sincronização com a rede é necessária. 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 dos dispositivos.
• Alta capacidade de rede: O pequeno tamanho do UNB permite mais sinais simultâneos dentro da banda operacional, além disso, o protocolo Sigfox reduz o tamanho dos quadros de rádio. Esses dois recursos combinados com o uso da tecnologia de rádio cognitivo permitem que a rede Sigfox atinja uma alta capacidade. (Fonte: sigfox.com )

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

À medida que a Sigfox e a LoRA cresciam, precisavam de ser contidas para que indivíduos, empresas e governos pudessem contar com um tipo de ligação que fosse padronizado e controlado. Para conseguir isso, em 2015 um protocolo de comunicação baseado em LoRa foi padronizado pela então criada LoRa-Alliance. Este protocolo LoRa padronizado ficou conhecido como LoRaWAN e é um protocolo de rede que utiliza a tecnologia LoRa para comunicar e gerenciar hardware (nós e gateway ) 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 .

Os principais recursos dos protocolos LoRa e LoRaWAN incluem

• Baixo custo: Reduz custos de três maneiras: investimento em infraestrutura, despesas operacionais e sensores de nó final
• Padronizado: Maior velocidade de interoperabilidade global e implementação de redes baseadas em LoRaWAN e aplicativos 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: A estação base única proporciona penetração profunda em regiões urbanas/internas densas. Em teoria, nas 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: criptografia AES128 ponta a ponta incorporada
• Alta capacidade: suporta milhões de mensagens por estação base, ideal para operadoras de redes públicas que atendem muitos clientes

Mais recentemente, a competição entre provedores de celular e soluções LoRa atingiu o auge com os lançamentos do serviço Cat-M1 da Verizon e da rede Narrowband IoT (NB- IoT ) da T-Mobile. Começando com Cat-M ou LTE Cat-M1 da Verizon, uma conectividade de área ampla de baixo consumo de energia (LPWA) otimizada para dispositivos IoT e M2M. Cat-M é ideal para soluções com requisitos de taxa de dados média – velocidades de upload e download de 375 kb/s no modo half-duplex com tamanho máximo de mensagem de 1.500 bytes em uma comunicação de dados bidirecional. Nessas velocidades, o LTE Cat-M1 oferece atualizações remotas de firmware pelo ar (FOTA) dentro de prazos razoáveis, melhorando a manutenção e o suporte de hardware para hardware implantado em áreas rurais. Como o Cat-M1 foi projetado tendo em mente a 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 batalha do celular com a tecnologia LoRa.

Como muitos lançamentos feitos por provedores de celular concorrentes, a T-Mobile logo seguiu o lançamento da Verizon com seu próprio NB- IoT , que permite uma ampla gama de IoT usando torres de telecomunicações celulares, coexistindo com GSM e LTE sob as bandas de frequência licenciadas. NB- IoT oferece um requisito de taxa de dados de velocidades de upload e download de aproximadamente 50kb/s no modo half-duplex. Além disso, ele conecta dispositivos de forma eficiente em redes móveis já estabelecidas, pode lidar com um tamanho máximo de mensagem de 1.600 bytes em comunicação de dados bidirecional, melhora os requisitos de consumo de energia dos dispositivos finais e fornece um excelente alcance estendido em edifícios ou no subsolo – coisas que LoRa e celular padrão terão dificuldades.

Comparando NB- IoT com LTE Cat M1, ambos coletam e manipulam dados entre torres de celular, semelhante ao LTE de alta velocidade. A principal diferença entre esses tipos de conexão é como os dados dos dispositivos móveis são comunicados à Internet quando em movimento. Se um dispositivo se deslocar do ponto A para um ponto B distante, cruzando diversas células de redes diferentes, o dispositivo Cat M1 nunca perderia a conexão porque se comporta da mesma forma que um telefone celular, conectando-se de torre a torre enquanto se move. 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 celular cada vez que uma torre é perdida e uma nova torre é detetada.

O diagrama abaixo compara tecnologias LPWAN projetadas para soluções IoT .

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

• Nas Smart Farming , as tecnologias LPWAN se destacam devido ao longo alcance e às capacidades de vida útil da bateria. No entanto, LoRa pode ser a melhor opção nos casos em que não há cobertura Sigfox.
• No da Manufatura e Automação :
• Para monitoramento de máquinas em tempo real , as boas e velhas conexões como Ethernet ou WiFi 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 remotas, o NB- IoT é uma escolha adequada porque promete maior confiabilidade e regularidade para transmissão de dados em comparação com o Sigfox.
• Aplicações como rastreamento de ativos ou monitoramento de status são ideais para Sigfox, onde a cobertura está disponível, ou LTE Cat-M nos casos em que o ativo mudará de localização (ou seja, rastreamento de semi-caminhão ou caminhão-tanque).
• Em de Edifícios Inteligentes , onde diferentes variáveis ​​como temperatura, umidade, vazão de água, consumo elétrico, etc… podem ser usadas para alertar a gestão da propriedade sobre medidas preventivas para máquinas ou sistemas críticos. O Sigfox é uma ótima opção porque economiza o custo e o esforço de instalação e manutenção de um gateway por prédio, porém, cuidado com a penetração do sinal, pois pode ser ruim em subsolos ou no centro dos edifícios. Se, depois de executar um teste de sinal Sigfox, você não conseguir obter cobertura, então LoRa será o cavaleiro de armadura brilhante para resolver os problemas de penetração.

Concluindo, o tipo de conectividade ideal para sua solução/aplicativo conectado à Internet é melhor baseado no ambiente em que seu dispositivo está e no tamanho da carga útil de dados. Para um dispositivo de baixo custo com recursos de longo alcance e cargas menores, recomendamos uma solução LoRa ou Sigfox (se o Sigfox estiver implantado em sua área). E, à medida que as redes NB- IoT e Cat-M1 continuam a ser implementadas em áreas de serviço, a sua atracção e serviços continuarão a melhorar, tornando estas opções tão valiosas como as suas antecessoras, como 2G e 3G, mas com custos mais baixos e maior eficiência energética. . Por último, para aplicações que exigem altas taxas de dados ou usam hardware que consome muita energia, a solução comprovada e comprovada de Ethernet ou WiFi ainda é a mais adequada.

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