O que são LoRa e LoRaWAN?

As redes LoRaWAN estão se tornando populares entre diferentes aplicativos e verticais da IoT, portanto, valeria a pena investigar seu uso, caraterísticas, e operações. Neste artigo, discutiremos o que é LoRa e LoRaWAN individualmente e a principal diferença entre eles. Em seguida, discutiremos em detalhes como realizar redes LoRaWAN que são baseadas no esquema de modulação LoRa RF. Finalmente, concluímos nosso artigo identificando diferentes aplicações potenciais de dispositivos baseados em LoRa e suas vantagens sobre outros protocolos de comunicação IoT disponíveis. 

O que é LoRa?

LoRa significa "Long Range Wide Area", e é um esquema de modulação de rádio popular na realização de comunicações de rádio de baixa potência e longo alcance. É um dos esquemas de modulação de rádio mais populares usados para Internet das Coisas (IoT) de longo alcance e Máquina a máquina (M2M). Embora o LoRa já exista há algum tempo, foi recentemente que ganhou muita popularidade, uma vez que os chipsets que permitem a modulação de rádio LoRa.  

O que é mais importante lembrar é que LoRa se refere à camada física ou à camada física de rádio, portanto, LoRa sozinho não é capaz de realizar operações de rede e lidar com o tráfego de rede em aplicativos IoT. A faixa de frequência de operação do LoRa depende da localização geográfica da implementação. Por exemplo, no contexto da Europa, LoRa opera em 868 MHz enquanto na América do Norte é 915 MHz Além disso, em condições de linha de visão (LOS), o link de comunicação comm pode ser estendido até 10 km com modulação de rádio LoRa. No entanto, vale ressaltar que LoRa usa um espetro de rádio proprietário livre de licença.  

O que é LoRaWAN?

LoRaWAN, no entanto, refere-se às instalações de rede, que incluem protocolos de rede e gerenciamento de tráfego, que usa a modulação de rádio LoRa para permitir a comunicação comm para um longo alcance. LoRaWAN ou LoRa Wide Area Network facilita a camada de rede e, portanto, é procurado principalmente em aplicativos industriais de IoT. É classificado como LPWAN não celular (WAN de baixa potência). Em palavras simples, podemos dizer que LoRaWAN é uma rede usando LoRa. É mantido pela LoRa Alliance, que permite que os dispositivos communicate sem fio usando LoRa.  

A diferença entre LoRa e LoRaWAN

Tendo discutido separadamente LoRa e LoRaWAN, vale a pena destacar brevemente a principal diferença entre LoRa e LoRaWAN. Como mencionado anteriormente, o LoRa por si só apenas facilita as instalações físicas de comunicação, enquanto o LoRaWAN fornece recursos de camada de rede que fornecem a arquitetura de rede completa. O LoRa foi inicialmente patenteado sob Semtech, um fornecedor francês de semicondutores, enquanto a LoRaWAN foi formulada por Aliança LoRa.  

Assim, LoRa é simplesmente um protocolo de comunicação por rádio que permite operações de longo alcance, enquanto LoRaWAN é a rede que utiliza o protocolo LoRa para realizar aplicações IoT LPWAN.  

Tecnologia e arquitetura LoRaWAN

Tendo uma compreensão clara da diferença entre LoRa e LoRaWAN, vamos agora focar em cada uma das duas abordagens separadamente. Para começar, vamos nos concentrar primeiro na tecnologia LoRaWAN e sua arquitetura.  

A rede LoRaWAN é implantada como uma topologia de rede estrela-das-estrelas, onde um hub ou nó central é responsável por lidar com a comunicação e interconexão na rede. Uma rede LoRaWAN típica é composta pelos seguintes componentes:  

1. Aderir ao servidor  
2. Servidor de aplicações  
3. Servidor de rede  
4. Concentrador/Gateway  
5. Nós/Dispositivos finais  

1. Aderir aos servidores

Os servidores de adesão são responsáveis pelo tratamento dos pedidos de adesão enviados pelos dispositivos finais quando aderem à rede através do servidor de rede. É mantido como uma peça de software num servidor, que supervisiona a ativação over-the-air (OTA) do dispositivo final, garantindo assim a sua ativação segura. O processo de ativação através do servidor de adesão é iniciado pelo dispositivo final, enviando os quadros de pedido de adesão de ligação ascendente para o servidor de adesão. Em seguida, o servidor de adesão sinalizará ao servidor de rede qual o servidor de aplicações a ligar ao dispositivo final solicitado. Isto é communicado por quadros de aceitação de junção de ligação descendente. Além disso, o dispositivo de ligação é responsável por manter as seguintes informações sobre cada dispositivo final na rede:  

• Perfil de serviço do dispositivo final  
• DevEUI - Este é um identificador único para cada dispositivo final  
• Appkey - Esta é a chave de encriptação da aplicação  
• NwkKey - Esta é a chave de encriptação da rede  
• Identificador do servidor de aplicações  

2. Servidores de aplicações

Os servidores de aplicações são responsáveis pelo tratamento dos dados dos sensores e das aplicações enviados pelos dispositivos finais. Estes dados são depois apresentados à interface do utilizador para que esta tome decisões e interprete os resultados com base nos mesmos. O servidor de aplicação também é responsável por gerar informações de carga útil de downlink para os dispositivos finais conectados que são roteados através do servidor de rede. Numa rede LoRaWAN pode haver mais do que um servidor de aplicações e qualquer nível de análise e processamento é efectuado sobre o servidor de aplicações. Algoritmos de aprendizado de máquina, técnicas de processamento de dados e análise de negócios são alguns dos processos que podem ser executados pela camada de aplicação. 

3. Servidor de rede

O servidor de rede LoRaWAN (LNS) desempenha um papel fundamental na realização e gerenciamento de toda a rede. Existem algumas das caraterísticas comuns vistas em servidores de rede em todas as redes LoRaWAN. Algumas das principais caraterísticas são: 

• O LNS é responsável por assegurar ligações seguras com cifragem AES de 128 bits para a comunicação das mensagens, proporcionando assim segurança de extremo a extremo 
• Verificar a autenticidade e a integridade dos dispositivos finais ligados à rede 
• Verificação do endereço do dispositivo, para um transporte exato das mensagens através da rede 
• Utilização do protocolo ADR (Adaptive Data Rate) para facilitar a adaptação dos débitos de dados, optimizando assim o débito de dados dos dispositivos finais 
• O LNS determina o melhor gateway para o encaminhamento das mensagens de ligação descendente para os dispositivos finais 
• Encaminha as mensagens de pedido de adesão e de aceitação de adesão entre os dispositivos terminais e o servidor de adesão 
• Encaminhar cargas úteis de aplicações de ligação ascendente para o servidor de aplicações pertinente e gerir cargas úteis de ligação descendente provenientes de diferentes servidores de aplicações, que são depois encaminhadas para os dispositivos finais pertinentes 
• Gestão de todas as commands da camada MAC (Media Access Control) 
• Gestão de todas as mensagens de ligação ascendente, o que inclui a sua duplicação, o aviso de receção correto 

4. Concentrador/Gateway

Gateways ou concentradores são dispositivos responsáveis por receber mensagens dos dispositivos finais e encaminhá-las ao servidor da rede. Eles são conectados a sinais de rádio modulados LoRa a jusante (ou seja, para dispositivos finais) e a uma conexão baseada em IP a montante (ou seja, para o servidor de rede). Esta ligação a montante é reencaminhada por uma ligação celular (4G,3G, 5G etc.), Wi-Fi, Ethernet, ou mesmo por uma ligação de fibra ótica. Como o Gateways LoRaWAN não estão diretamente associados a dispositivos finais, podem receber informações de vários dispositivos finais. Este facto faz com que as gateways recebam dados duplicados. No entanto, estes dados duplicados são tratados pelo servidor de rede. A única funcionalidade da porta de ligação em relação aos dados recebidos é verificar a sua integridade utilizando diferentes esquemas de deteção de erros (por exemplo, CRC). As gateways também medem o RSSI (Received Signal Strength Indicator - indicador da intensidade do sinal recebido) das mensagens provenientes de diferentes dispositivos finais para ajudar o servidor da rede a desduplicar os pacotes provenientes de vários dispositivos finais. No caso da comunicação downlink, ou seja, o envio de dados do servidor de rede para os dispositivos finais, um gateway simplesmente passaria os dados para o dispositivo final de destino sem qualquer processamento adicional. Os gateways LoRaWAN são tipicamente de dois tipos: 

• Gateways de interior: Estas são soluções económicas que são muito mais adequadas para locais interiores onde é necessária uma cobertura limitada. Normalmente, a antena é construída internamente, no entanto, dependendo dos requisitos, também podem ser construídas antenas externas. 
• Gateways exteriores: Proporcionam uma maior cobertura e são normalmente montados a uma altura considerável. Também estão equipados com uma antena externa. 

5. Nós/Dispositivos finais

A pilha de tecnologia das redes LoRaWAN pode ser realizada usando um modelo de três camadas, composto por 

• Camada de aplicação 
• Camada MAC 
• Camada física 

A camada de aplicação é responsável pelo tratamento dos dados dos sensores e pelo envio de comandos para os actuadores ligados. Fornece também uma interface de utilizador para que este possa interagir com a rede. 

A camada MAC é responsável por estabelecer a conexão entre os gateways LoRaWAN e os dispositivos finais. As classes de dispositivos são determinadas nessa camada, que também inclui diferentes opções para o projetista determinar com base na aplicação. 

A camada física baseia-se no esquema de modulação RF LoRa e a frequência modulada é determinada com base na banda ISM (Industrial, Scientific, and Medical) regional. 

Classes de dispositivos LoRaWAN 

Os dispositivos de rede LoRaWAN são categorizados em três classes, dependendo dos modos de operação: 

• Classe A 
• Classe B 
• Classe C 

No modo de funcionamento de classe A, um dispositivo final enviará uma mensagem de ligação ascendente seguida de duas janelas curtas de mensagens de ligação descendente. Cada janela de ligação descendente é atrasada por diferentes atrasos a partir do final da mensagem de ligação ascendente. Agora, o servidor de rede só pode enviar uma mensagem de ligação descendente durante estas duas janelas de receção; se não o fizer, a próxima transmissão de ligação descendente estará disponível após a próxima transmissão de ligação ascendente. Além disso, se o servidor de rede conseguiu enviar a transmissão de ligação descendente durante a primeira janela de receção, o dispositivo final não abrirá uma segunda janela de receção. Os dispositivos de classe A são frequentemente alimentados por bateria e têm uma latência de ligação descendente elevada. Eles são mais adequados para aplicações de monitoramento ambiental e rastreamento de localização que incentivam o estado ocioso de operação. Todos os dispositivos LoRaWAN devem suportar a operação de Classe A. 

Em comparação com os dispositivos de classe A, os dispositivos de classe B fornecem janelas de receção programadas. Estas janelas de receção programada são mensagens de beacon sincronizadas no tempo transmitidas pelo gateway. Isto proporciona uma menor latência de ligação descendente em comparação com os dispositivos de classe A. Espera-se que os dispositivos recebam mensagens de ligação descendente em determinados slots de ping depois de receberem cada mensagem de beacon das gateways. No entanto, uma desvantagem do modo de funcionamento de classe B é que agora o dispositivo está num estado ativo durante um período de tempo considerável, reduzindo assim a vida útil da bateria do dispositivo. No entanto, os dispositivos de classe B são utilizados tanto para monitorizar como para acionar aplicações IoT. Por exemplo, são utilizados em contadores de serviços públicos e aplicações de registo de temperatura. 

Os dispositivos de classe C estão "sempre" a ouvir as mensagens recebidas por ligação descendente, a menos que estejam a transmitir (transmissão por ligação ascendente). Isto torna-os dispositivos que consomem mais energia e estão normalmente ligados à rede eléctrica. No entanto, uma das principais vantagens dos dispositivos de classe C é o facto de imporem uma baixa latência de ligação descendente quando comparados com os seus homólogos. Aplicações como luzes de rua e contadores eléctricos com interruptores são algumas das aplicações populares que utilizam dispositivos de classe C. 

Segurança da rede LoRaWAN

A segurança é um fator importante no contexto das aplicações IoT, que normalmente lidam com informações sensíveis. A seguir estão as principais medidas de segurança observadas numa rede LoRaWAN: 

• Procedimento de adesão 
• Autenticação de mensagens 
• Dispositivo Commissionamento 

Estas medidas de segurança da rede garantem a proteção da rede contra ataques de terceiros e asseguram a integridade dos dispositivos ligados sem comprometer informações valiosas. Asseguram igualmente a gestão do tráfego de dados na rede, dada a limitação de recursos da mesma. 

O procedimento de associação é o procedimento em que os dispositivos finais são ligados ao servidor de aplicações relevante através do servidor de associação. Inicialmente, o dispositivo final envia um pedido de ligação ao servidor de ligação, que é autenticado pelo servidor de ligação. Após a autenticação adequada, o servidor de ligação envia a mensagem de aceitação de ligação ao dispositivo final, permitindo a ligação entre o dispositivo final e o servidor de aplicações relevante. Após a aceitação da ligação, tanto o dispositivo final como o servidor de adesão geram chaves de sessão individuais com base nos metadados que receberam. O servidor de adesão partilha as suas chaves de sessão com a rede e os servidores de aplicações. Na transmissão, o tráfego de dados é protegido em dois níveis distintos de segurança. O dispositivo final teria uma chave de sessão de aplicação de 128 bits diferente partilhada com o servidor de aplicação, que é diferente da chave de sessão de rede AES de 128 bits partilhada com o servidor de rede. Desta forma, nem a gateway nem o servidor de rede podem ler diretamente os dados do utilizador transmitidos entre o dispositivo final e o servidor de aplicações. 

A rede LoRaWAN herda a capacidade de autenticação de mensagens devido às suas opções de camada MAC, que são autenticadas no nível do gateway antes de serem transmitidas ao servidor da rede. Além disso, a ativação de dispositivos é obrigatória nas redes LoRaWAN. As redes LoRaWAN oferecem dois tipos de ativação de dispositivos: 

• Ativação por via aérea (OTA) 
• Ativação por personalização (ABP) 

O utilizador teria a flexibilidade de escolher entre uma ou outra opção, mas a opção preferida é a OTA. 

Modulação LoRa

Ao longo do artigo, discutimos as propriedades da rede LoRaWAN, nesta secção discutimos brevemente o esquema de modulação LoRa RF e algumas propriedades importantes do LoRa. LoRa é um esquema proprietário de modulação por espalhamento espetral baseado no Chirp Spread Spectrum (CSS). O objetivo do LoRa é a realização de comunicações de baixo débito e baixa taxa de dados. Uma vez que se baseia no mecanismo CSS, ao aumentar a taxa de chirp, é possível aumentar o alcance da communicação. Uma vez que o fator de propagação aumenta com o aumento da taxa de chirp, coloca-se a questão da possível interferência das componentes de frequência. No entanto, o LoRa usa espalhamento de ortogonalidade dos chirps, evitando a colisão de diferentes componentes de frequência. Isso também garante a robustez dos sinais LoRa, tornando-os immune ao desvanecimento multipercurso. I1TP14A sintonia com o desvanecimento multipercurso faz do LoRa um candidato adequado no que respeita ao ambiente urbano, onde a propagação multipercurso é proeminente. A largura de banda para LoRa é de 125 KHz ou 500 KHz (para uplink) e 500 KHz (para downlink) e, dependendo da região de operação, esse espetro de frequência muda. 

Aliança LoRa

A LoRa Alliance é uma organização aberta e sem fins lucrativos cujo objetivo é conseguir aplicações IoT massivas com a adoção de redes LoRaWAN que se baseiam na modulação RF LoRa. A LoRa Alliance colabora com mais de 150 operadores de rede LoRaWAN em todo o mundo, com mais de 500 empresas, garantindo assim uma cobertura global. Isto faz das redes LoRaWAN um candidato interessante para aplicações IoT massivas num contexto global. Um mapa de cobertura de rede que mostra a cobertura global atual e as verticais actuais com aplicações baseadas em LoRa pode ser acedido através de https://lora-alliance.org/ . 

Vantagens e desvantagens da LoRaWAN

As redes LoRaWAN tornaram-se populares devido a muitas razões, uma vez que impõem muitas vantagens no contexto da IoT e de aplicações IoT massivas. Algumas das principais vantagens da LoRaWAN são 

• As redes LoRaWAN consomem pouca energia, uma vez que os dispositivos baseados em LoRa são optimizados para um baixo consumo de energia  
• Os dispositivos baseados em LoRa têm uma bateria de longa duração 
• Devido ao uso da modulação de RF LoRa baseada em CSS, as redes LoRaWAN podem se expandir para um alcance extenso. Esse alcance é de cerca de 10 km no contexto de ambiente rural e de cerca de 3 km no contexto de ambiente urbano 
• Com a presença de organismos normalizados, como a LoRa Alliance, os dispositivos baseados em LoRa são proeminentes a nível mundial, tornando-os facilmente acessíveis 
• As caraterísticas de segurança inerentes aos dispositivos baseados em LoRa são outra vantagem das redes LoRaWAN. Essas redes também empregam técnicas de criptografia AES de 128 bits  

Apesar de suas caraterísticas atraentes, as redes LoRaWAN nem sempre são a melhor opção. As redes LoRaWAN só são capazes de lidar com baixas taxas de dados e podem transmitir poucas amostras de dados num determinado momento. Por isso, é necessário codificar tipos de dados como texto em binário para se adequar à pequena capacidade de carga útil das redes LoRaWAN. Além disso, as redes LoRaWAN não são ideais para lidar com dados em tempo real, pois os dispositivos baseados em LoRa podem enviar dados em intervalos de tempo determinados. 

Quando usar LoRa e LoRaWAN? (Aplicações) 

O LoRa e o LoRaWAN são adequados para a realização de aplicações IoT e IoT massivas que exigem as seguintes caraterísticas 

• Baixo custo de implementação 
• Baixo consumo de energia 
• Baixa largura de banda e transmissão de pequenas cargas úteis 
• Segurança e longo alcance de funcionamento 

Estas caraterísticas são proeminentes em áreas como: 

• Aplicações de estacionamento inteligente 
• Monitorização do ambiente e aplicações de medição de serviços públicos 
• Localização 
• Iluminação pública  
• Aplicações agrícolas e gestão de gado 
• Aplicações de previsão de catástrofes, como a previsão de terramotos 

No entanto, as redes LoRa e LoRaWAN não são as candidatas ideais para aplicações como as casas conectadas e as aplicações domésticas automatizadas, em que é necessário o processamento de dados em tempo real e o controlo de diferentes actuadores. As aplicações baseadas em LoRa também não são as melhores candidatas para aplicações que exigem larguras de banda mais elevadas, como a transmissão de imagens ou vídeos. 

Conclusão

Em conclusão, LoRa é o esquema de modulação de RF que é a camada física sublinhada na pilha de rede LoRaWAN. Além disso, com a presença de órgãos padronizados, como a LoRa Alliance, as redes LoRaWAN estão se tornando populares para aplicações massivas de IoT e IoT de longo alcance e baixa potência.