Tecnologias LPWAN: Qual é a melhor para a sua aplicação IoT?

Neste artigo, vamos discutir como escolher um Rede de área alargada de baixa potência (LPWAN) para uma aplicação maciça da Internet das Coisas (IoT). As redes IoT LPWAN estão a tornar-se populares devido ao seu funcionamento a longa distância e ao seu baixo custo. Para o efeito, analisaremos brevemente o que impulsiona a LPWAN e a sua popularidade emergente. Em seguida, comparamos brevemente as principais tecnologias LPWAN com base nas suas especificações e aplicações. 

Porque é que a LPWAN é popular? 

A LPWAN tornou-se popular com o avanço das aplicações IoT maciças que se estendem por um longo alcance. No entanto, não é apenas o longo alcance de operação que impulsiona a popularidade da LPWAN, mas há também outras razões. As principais razões para o surgimento da LPWAN podem ser identificadas da seguinte forma: 

• Protocolos como ZigBee e BLE não são capazes de suportar operações de longo alcance 
• Comunicações celulares de longo alcance, tais como 4G-LTE e 3G consumiram energia excessiva apesar da sua boa cobertura 
• A implantação da communicação a longa distância era comparativamente dispendiosa.

Por conseguinte, as razões acima referidas deram origem às tecnologias LPWAN, que têm uma grande cobertura a longa distância e consomem pouca energia para funcionar com um baixo custo dos dispositivos. Estes factores foram fundamentais para a realização de aplicações IoT maciças, como as cidades inteligentes e as aplicações agrícolas inteligentes. Além disso, estima-se que cada vez mais aplicações IoT baseadas em LPWAN aparecerão na indústria, onde 1 em cada 4 Aplicações IoT industriais (IIoT) serão baseados em LPWAN até 2025.  

Assim, podemos constatar que o longo alcance de funcionamento, que pode atingir 15 km num ambiente rural, e o baixo consumo de energia, que conduz a uma vida útil do dispositivo de até 10 anos, e a baixa complexidade do dispositivo, que conduz a um baixo custo, são as principais forças motrizes da popularidade das aplicações IoT baseadas em LPWAN. 

Comparação técnica de diferentes opções LPWAN 

 Antes de analisarmos as diferentes opções de LPWAN, podemos dividir as tecnologias LPWAN em duas categorias distintas, nomeadamente: 

• LPWAN licenciada: Trata-se de tecnologias LPWAN baseadas no espetro público de frequências celulares. Exemplos de LPWAN licenciadas incluem; NB-IoT e LTE-M. 
• LPWAN não licenciada: Trata-se de tecnologias LPAN baseadas em espetro de frequências não licenciado. Exemplos de LPWAN não licenciada incluem; LoRaWAN e Sigfox. 

A escolha entre LPWAN licenciada e não licenciada depende dos requisitos da aplicação IoT, como a fiabilidade, a segurança e a mobilidade prevista de todo o sistema. Tendo uma compreensão básica dos diferentes tipos de tecnologias LPWAN, vamos agora investigar algumas tecnologias LPWAN. 

LoRaWAN é uma opção LPWAN famosa e em ascensão, que facilita a operação de longo alcance para dispositivos alimentados por bateria. Uma caraterística interessante da Dispositivos LoRaWAN é a sua menor complexidade, que permite reduzir os custos dos dispositivos. Baseia-se num espetro de frequência não licenciado e é capaz de comunicação bidirecional, com boa immunidade a interferências. A capacidade de desenvolver redes privadas faz com que a LoRaWAN se destaque das outras opções de LPWAN que consideraremos mais adiante neste artigo. 

Sigfox é uma tecnologia de banda estreita desenvolvida por uma startup em França que está mais habituada a aplicações de baixa largura de banda com maior preocupação com o consumo de energia. Tal como a LoRaWAN, a Sigfox opera num espetro de frequências não licenciado, no entanto, tem uma capacidade de comunicação bidirecional limitada quando comparada com a LoRaWAN. Finalmente, a Sigfox está a ser adaptada a aplicações IoT na América do Norte e na Europa e está atualmente a expandir-se para regiões como a Ásia. 

A NB-IoT, no entanto, é uma LPWAN licenciada, que opera no espetro de frequência celular. Pode ser considerada como a resposta dos fornecedores de redes celulares ao aparecimento de aplicações IoT. É desenvolvida sobre a rede celular existente, para permitir aplicações IoT de baixa largura de banda, cobertura profunda e elevada eficiência espetral. Do mesmo modo, a LTE-M também se baseia no espetro de frequências celulares licenciadas. Quando comparada com a NB-IoT, a LTE-M tem uma largura de banda melhorada e uma segurança elevada. 

Opção LPWAN baseada em funcionalidades IoT 

Vamos agora comparar as nossas opções LPWAN com base em algumas das caraterísticas críticas da IoT importantes para as nossas aplicações IoT. Estas funcionam como alguns dos principais requisitos de muitas aplicações IoT em geral.  

• Qualidade de serviço: Qualidade de serviço (QoS) refere-se à alta receção de dados com boa immunidade a interferências devido a fatores externos e sua capacidade de atender a diferentes níveis de requisitos de dados do usuário final. A LoRaWAN e a Sigfox podem lidar com interferências em ambientes ruidosos, mas utilizam protocolos de comunicação assíncronos. Por outro lado, a NB-IoT utiliza protocolos de comunicação síncronos baseados em LTE, aumentando assim a sua disponibilidade e optimizando os serviços de QoS. No entanto, isto tem um custo de implementação. Por conseguinte, para as aplicações IoT que exigem uma QoS óptima, a NB-IoT é a melhor opção. 

•  Mobilidade: Refere-se à capacidade de transmitir dados para nós finais em movimento de alta velocidade numa rede. A LoRaWAN e a Sigfox, embora sejam capazes de comunicar a longa distância, não são capazes de efetuar procedimentos de transferência, o que é inerentemente possível na NB-IoT e na LTE-M devido à sua utilização do espetro de frequências celulares e da infraestrutura celular existente. 

• Custo: O custo é um fator importante que deve ser considerado no desenvolvimento de aplicações IoT. Em aplicações IoT maciças, este fator pode ser avaliado em três componentes principais diferentes, nomeadamente 
  1. Custo do espetro 
  2. Custo de implantação 
  3. Custo do dispositivo 

Em termos de custo de espetro, naturalmente tanto a LoRaWAN como a Sigfox não têm custos adicionais de espetro, uma vez que utilizam espetro de frequências não licenciado livremente disponível. No entanto, tanto a NB-IoT quanto a LTE-M utilizam o espetro de frequências licenciado e, portanto, requerem um custo para comprar o espetro de frequências do operador de rede ou da regulamentação da rede dessa região. Mais uma vez, em termos de custo de implantação, a LoRaWAN e a Sigfox têm um custo de implantação baixo em comparação com a NB-IoT e a LTE-M. A Sigfox teria o custo de dispositivo mais baixo em comparação com a LoRaWAN, enquanto o custo do dispositivo para a NB-IoT pode ser superior a $10 de alcance. 

• Duração da bateria: Todas as tecnologias LPWAN estão num estado inativo quando não estão a transmitir dados através da rede. No entanto, tecnologias como NB-IoT usam protocolos de communicação síncrona que requerem energia adicional para inicializar a communicação. Assim, os dispositivos Sigfox e LoRaWAN Classe A são as melhores opções para aplicações que exigem boa duração da bateria e bom desempenho. 

• Alcance de operação: A LoRaWAN teria o menor alcance de 12-14 km em operação LOS, enquanto a Sigfox teria um alcance de 15-17 km. No entanto, a NB-IoT teria um alcance de 20-22 km devido à utilização da infraestrutura celular existente. A LTE-M, no entanto, teria um alcance limitado pela cobertura 4G-LTE da região. 

• Segurança: Em termos de segurança da rede, a LTE-M oferece as melhores caraterísticas de segurança quando comparada com outras tecnologias LPWAN. 

Opção LPWAN baseada na aplicação IoT 

Embora os diferentes factores que analisámos até agora nos ajudem a determinar a viabilidade de uma determinada tecnologia LPWAN em detrimento de outra, é difícil tomar uma decisão quando se trata de uma aplicação IoT específica. Por conseguinte, vale a pena investigar as aplicações IoT e determinar qual a tecnologia LPWAN mais adequada. 

• Medição eléctrica 

A contagem eléctrica exige taxas de dados mais elevadas e um bom desempenho em termos de latência. Além disso, no que diz respeito à duração da bateria, estas aplicações podem ser ligadas diretamente à rede em vez de serem operadas com baterias. Uma vez que a LoRaWAN e a Sigfox têm latências elevadas e taxas de dados baixas, podemos contar com a NB-IoT, mais fiável e com menor latência, para realizar este tipo de aplicações de contagem eléctrica. 

• Agricultura inteligente 

Na agricultura inteligente, é necessário criar dispositivos alimentados por bateria que funcionem a longa distância. Além disso, estas aplicações devem ser acessíveis para a maioria dos agricultores e empresas agrícolas. Por conseguinte, o custo é um fator crítico. Considerando estes factores, a nossa opção immediata para estas aplicações seria LoRaWAN ou Sigfox. 

• Edifício inteligente 

Estas incluem a monitorização da temperatura e da humidade do edifício e a monitorização de outros aparelhos inteligentes. Portanto, não é necessário monitorar essas informações continuamente e teríamos dispositivos alimentados por bateria. Isto ajuda-nos a restringir as nossas opções apenas a LoRaWAN e Sigfox para este tipo de aplicações IoT. 

• Indústria transformadora e de automatização  

Isto inclui monitorizar os sinais vitais das máquinas e controlá-las com precisão. Por conseguinte, é necessária uma monitorização frequente e uma boa QoS para estas aplicações. Isto faz com que o NB-IoT e o LTE-M sejam as melhores opções para cumprir estes requisitos. A LTE-M pode ser utilizada se houver uma maior preocupação com a segurança. 

Conclusão 

Neste artigo, discutimos brevemente as diferentes opções disponíveis para realizar aplicações IoT massivas. Em conclusão, podemos dizer que a melhor opção é um compromisso dos nossos requisitos e varia consoante as diferentes aplicações.