O que é LPWAN? Uma introdução à tecnologia de rede de área ampla de baixo consumo de energia

Hoje, os avanços notáveis ​​nas tecnologias IoT tornaram realidade as conexões antes impossíveis entre indivíduos e dispositivos. LPWAN emergiu como um tema quente no mundo IoT, oferecendo soluções antes inatingíveis. Para intervalos curtos, tivemos coisas como Wi-fi, Bluetooth, Zigbee e outros. E para distâncias maiores, havia 2G, 3G, 4Redes celulares G e similares.

Mas se você olhar para essas tecnologias sem fio com base em suas necessidades de energia e alcance, você notaria que havia uma lacuna para baixo consumo de energia, opções de longo alcance. Esse é o nicho em que a tecnologia LPWAN se encaixa perfeitamente. Ele preenche a curta duração da bateria, vazio de distância que estava faltando na linha de opções de comunicação sem fio que tínhamos antes.

O que é LPWAN

LPWAN, ou rede de área ampla de baixa potência (às vezes também chamado de LPWA) é um termo relativamente novo que não é um padrão ou uma tecnologia única. Em vez de, é mais um termo geral que inclui vários protocolos proprietários e de código aberto. Em essência, LPWAN refere-se a uma família de redes sem fio projetadas para baixo consumo de energia., comunicação de longo alcance entre dispositivos.

A distância de comunicação das tecnologias LPWAN varia de alguns quilômetros em áreas urbanas até 10 mais quilômetros em áreas rurais. Isto significa essencialmente uma comunicação para se tornar mais eficiente e rentável. – isto é. somos capazes de maximizar o alcance com menos consumo de energia. Supõe-se que num futuro próximo, LPWAN abraçará aplicações mais amplas de uma forma muito mais inovadora.

Topologia e arquitetura em tecnologias LPWAN

Da estrutura topológica, LPWANs podem ser divididos em duas categorias principais: estrela e malha. A respeito disso, as tecnologias celulares são tipicamente universais neste aspecto e apoiam a mobilidade. Topologias estrela ou estrela a estrela são preferidas para LPWANs em vez de redes mesh devido à sua relação custo-benefício.

No coração da LPWAN, os outros componentes de uma arquitetura simples de LPWAN incluem conectividade sem fio, a Internet, e nuvem. A estação base/gateway coleta dados de vários nós finais distribuídos remotamente e responde às entradas do LPWAN. A estação base/gateway é o dispositivo de fronteira que recebe e demodula esses dados e os envia através de um link de backhaul TCP/IP padrão como Ethernet, rede celular, etc., para um servidor back-end.

Para serviços LPWAN públicos, os dados são então encaminhados pelos servidores da operadora de rede antes de serem enviados ao aplicativo do usuário final. Em LPWANs gerenciados de forma privada, os dados podem ser roteados diretamente para o back-end predefinido do usuário final. Isso garante que os dados do dispositivo LPWAN sejam privados e seguros.

Padrões LPWAN: LPWA celular e LPWA não celular

Antes de mergulhar nas tecnologias LPWAN, é crucial compreender as principais categorias em que eles se enquadram. LPWANs podem ser amplamente classificados em dois grupos: aqueles que operam em faixas de frequência não licenciadas (como LoRa e SigFox), e tecnologias celulares funcionando dentro de bandas de frequência licenciadas e aderindo aos padrões 3GPP (como LTE-M e NB-IoT). Abaixo, exploraremos algumas opções de tecnologia LPWAN implantadas ativamente.

LPWAN celular (Espectro Licenciado)

As LPWANs celulares exigem autorização de órgãos governamentais ou reguladores e normalmente aproveitam as operadoras de rede existentes’ a infraestrutura. Contudo, eles exigem uma conexão confiável entre o dispositivo e a estação base, por isso é mais adequado para áreas densamente povoadas, como centros urbanos, zonas residenciais, e parques industriais. Os padrões LPWAN celulares incluem EC-GSM-IoT, Gato LTE. M1 (LTE-M) e NB-IoT, operando dentro do espectro LTE (700MHz-3,5 GHz).

EC-GSM-IoT

EC-GSM-IoT ou Extended Coverage GSM IoT foi inicialmente introduzido pela 3GPP no lançamento 13. É uma tecnologia LPWAN celular baseada em eGPRS, com o objetivo de aproveitar as redes e infraestruturas móveis existentes (principalmente 2G/GSM) para estabelecer comunicações remotas de IoT. Utiliza espectro licenciado para fornecer comunicações confiáveis ​​e seguras. Comparado com outras tecnologias celulares, GSM oferece cobertura mais ampla. Sua versão melhorada, eGPRS/EDGE, mantém essa vantagem ao mesmo tempo em que suporta taxas de dados mais altas.

IoT de banda estreita (NB-IoT)

NB-IoT (Internet das coisas de banda estreita) é um padrão de tecnologia de rádio LPWAN desenvolvido pela 3GPP para conectar dispositivos IoT. Como uma tecnologia 3GPP CIoT, NB-IoT define ainda mais a interface sem fio para comunicação IoT em comparação com EC-GSM-IoT e LTE-M. Operando dentro de bandas de espectro licenciadas, utiliza uma largura de banda estreita de cerca de 180kHz. O NB-IoT foi padronizado através da colaboração entre o 3GPP e os principais fornecedores de equipamentos de telecomunicações, como a Nokia, Huawei, e Ericsson.

LTE-M

LTE-M (LTE-máquina para máquina), também conhecido como eMTC (Comunicação aprimorada do tipo máquina), é outra tecnologia 3GPP LPWAN IoT derivada de LTE. Suporta taxas de dados e mobilidade mais altas (até 350 km/h) em comparação com NB-IoT. LTE-M opera em espectro licenciado, coexistindo com 2G, 3G, 4G, e redes celulares 5G.

LTE-M foi inicialmente denominado MTC de baixo custo na versão 3GPP 12 e mais tarde renomeado para eMTC no Release 13. As melhorias nas versões 3GPP expandiram os recursos do LTE-M. Lançamentos 14 e 15 suporte habilitado para níveis de cobertura aprimorados com mobilidade. Liberar 14 adicionado VoLTE (Voz sobre LTE) capacidade. Liberar 15 construído sobre eles com novos casos de uso para dispositivos IoT de maior mobilidade. Liberar 16 continuou a evolução com melhorias para convivência com 5G New Radio (NR).

LPWAN não celular (Espectro não licenciado)

LPWANs não celulares operam em bandas de frequência ISM não licenciadas e não dependem da infraestrutura da operadora de rede. Os dispositivos transmitem dados diretamente ou através de gateways para servidores de aplicativos/rede. Além de LoRa, outros LPWANs não celulares incluem Sigfox, Sem peso, RPMA, Link da Sinfonia, e Wize, TRAÇO7, etc. utilizando a banda de frequência Sub-GHz com velocidades de comunicação variando de ~100bps a 250kbps e distâncias de 2km a 100km. LPWANs não celulares são normalmente implantados em áreas remotas com cobertura celular limitada, regiões montanhosas, ilhas, e para implementações de redes corporativas dedicadas.

LoRa/LoRaWAN

LoRa é a especificação PHY da pilha de protocolos, referindo-se especificamente à modulação proprietária Chirp Spread Spectrum desenvolvida pela Semtech. o LoRaWAN padrão define o protocolo da camada MAC e a arquitetura do sistema operando acima da camada LoRa PHY, mantido pela Aliança LoRa, que está crescendo rapidamente com quase 500 empresas membros em todo o mundo.

LoRa destina-se principalmente à comunicação uplink de vários dispositivos finais para gateways, usando mensagens codificadas em diferentes canais e taxas de dados para reduzir colisões e aumentar a capacidade do gateway. É adequado para aplicações que exigem pequenas cargas de dados e comunicações pouco frequentes em áreas urbanas e rurais/remotas. Um único gateway LoRaWAN pode lidar com conexões de vários nós e dispositivos finais.

Sigfox

Sigfox é uma das tecnologias LPWAN não 3GPP que tem sido amplamente adotada. É uma tecnologia LPWAN proprietária em homenagem à empresa Sigfox que a introduziu pela primeira vez. Ele utiliza rádio de banda ultraestreita para alcançar alcance ultralongo, conectividade IoT sem fio de baixo consumo de energia.

Contudo, A largura de banda estreita do Sigfox limita severamente a capacidade do downlink para transmitir dados aos dispositivos. E a banda ultraestreita pode levar a possíveis problemas de interferência. Apesar dessas limitações, A Sigfox continua sendo um player proeminente da LPWAN e ganhou força de sucesso na Europa.

Sem peso

O Grupo de Interesse Especial Weightless ( SIG sem peso) foi estabelecido em 2008, com o objetivo de padronizar a tecnologia LPWAN. Os membros do grupo promotor incluem Accenture, M2COMM, BRAÇO, Seu telefone, e Sony Europa.

Weightless consiste em três variantes adaptadas para diferentes cenários de aplicação: Sem peso-W, Sem peso-N, e sem peso-P. Weightless-W opera no espaço em branco da TV (TVWS) banda e tem uma implantação mais complexa. Weightless-N é semelhante ao Sigfox, sendo um protocolo de banda estreita executado na banda não licenciada sub-GHz, utilizado pela NWave. No geral, Weightless-N e Weightless-P receberam mais atenção e implantação em comparação com Weightless-W.

Link da Sinfonia

Symphony Link é um protocolo LPWAN desenvolvido pela Link Labs, uma empresa membro da LoRa Alliance. Enquanto Link Labs usa chipsets de camada física LoRa da Semtech, eles implementaram sua própria pilha de software de camada MAC personalizada chamada Symphony Link, em vez de usar a especificação LoRaWAN aberta.

Comparado com o padrão LoRaWAN, as principais diferenças no Symphony Link são alguns recursos de rede aprimorados, como entrega confiável de mensagens e expansão dinâmica da rede adicionando gateways.

Aplicações de tecnologias LPWAN

LPWAN é o vencedor em termos de alcance e consumo de energia. A utilização de LPWAN torna possível coletar dados de sensores remotamente e rastrear longas distâncias. Nesta secção, exploraremos alguns de seus casos de uso prático.

Medição Inteligente de Gás e Água

Os sistemas automatizados de leitura de medidores utilizam LPWANs para coleta remota sem fio de dados de consumo de serviços públicos, incluindo eletricidade, gás, e água. Já se foi o tempo em que os operadores verificavam e registravam os dados manualmente. Os usuários também podem obter visibilidade da quantidade de dados de consumo que usam diariamente.

Edifícios Inteligentes

Dentro dos edifícios, LPWANs são utilizados em residências, comercial, e instalações industriais para torná-los mais inteligentes. Configurações em casa, dispositivos domésticos inteligentes, como fechaduras inteligentes, sistemas HVAC, e a iluminação podem ser integradas e gerenciadas centralmente através de LPWAN. Em edifícios de escritórios e comerciais, O LPWAN permite centralizar o monitoramento da ocupação do espaço e dos sistemas de segurança, como sensores de porta.

Gestão Inteligente de Resíduos

A gestão inteligente de resíduos está se tornando mais amplamente utilizada em iniciativas de cidades inteligentes. Sensores instalados em latas de lixo podem monitorar os níveis de enchimento, transmitindo dados através de LPWAN para o sistema central. Quando níveis de preenchimento predeterminados são alcançados, alertas são gerados para coleta e descarte em tempo hábil. Além disso, é possível adquirir informações de localização de caminhões de lixo equipando rastreadores LPWAN com eles.

estacionamento inteligente

Em sistemas de estacionamento inteligentes, A tecnologia LPWAN permite monitorar e gerenciar em tempo real a ocupação das vagas de estacionamento. Sensores instalados em vagas de estacionamento podem detectar com precisão o status de ocupação. Os usuários podem verificar o estacionamento disponível por meio de um aplicativo móvel e pagar remotamente pelo estacionamento.

Agricultura Inteligente

LPWANs está se expandindo para sistemas agrícolas inteligentes. Os agricultores podem instalar vários sensores (umidade do solo, temperatura, umidade, luz, etc.) em campos. Eles podem então coletar dados remotamente desses sensores utilizando LoRaWAN ou outros LPWANs como NB-IoT.

Comparação popular de LPWAN licenciado e não licenciado

Dadas as inúmeras tecnologias LPWAN disponíveis, uma seleção criteriosa é crucial. De acordo com IoT Analytics’ estimativas de pesquisa de mercado, de 2024, sobre 97% dos sistemas LPWAN serão implantados usando LTE-M, NB-IoT, Sigfox, ou tecnologias LoRa. Portanto, vamos comparar o topo 4 Tecnologias LPWAN: NB-IoT, LTE-M, Sigfox, e LoRa.

Uma tabela comparativa de NB-IoT vs LTE-M vs LoRaWAN vs Sigfox

Fazendo a escolha certa de LPWAN

NB-IoT é uma tecnologia LPWAN 3GPP que aproveita as redes LTE/GSM existentes para fornecer conectividade de baixa largura de banda para dispositivos IoT. Aumenta o consumo de energia do dispositivo, capacidade do sistema, eficiência do espectro e desempenho de cobertura profunda, adequando-se à indústria, automação predial, cidade inteligente, casos de uso de IoT para monitoramento de integridade e resposta a desastres.

O LTE-M tem como alvo aplicações semelhantes às do NB-IoT, mas com maior largura de banda para permitir maiores taxas de dados e maior segurança, embora em níveis mais elevados de consumo de energia. É adequado para aplicações que exigem maior rendimento, como monitoramento de vídeo, onde as restrições de energia são menos rigorosas.

Sigfox e LoRaWAN são tecnologias não 3GPP operando em espectro não licenciado. Suas larguras de banda estreitas permitem operação com consumo de energia ultrabaixo para transmissão pouco frequente de pequenas cargas a partir de terminais que exigem bateria com duração de vários anos, mas com restrições de baixa taxa de dados. Sigfox prioriza baixo consumo de energia e implantação simples, mas não possui downlink para atualizações de firmware. LoRaWAN suporta gerenciamento bidirecional de dispositivos a baixo custo. Ambos podem servir à agricultura inteligente, rastreamento de ativos e cenários de monitoramento de IoT de baixo rendimento relacionados.

LPWAN é o futuro

Como uma nova tecnologia em rápida evolução, o cenário LPWAN está em estado de desenvolvimento e ainda não amadureceu. Com numerosos participantes do mercado, os vencedores não foram claramente estabelecidos, especialmente tendo em conta o ritmo incerto da expansão do mercado. O desempenho a longo prazo de cada variante LPWAN também permanece incerto, já que muitos ainda estão em fases iniciais de implantação, com falta de informações abrangentes, testes em grande escala no mundo real.

De fato, pesquisa da ABI Research indica um aumento projetado na adoção de dispositivos IoT, com uma estimativa 5.3 bilhão Dispositivos IoT previstos para aproveitar as tecnologias LPWAN 2030. É psomismal que LPWAN seja o domínio de conectividade que mais cresce no mercado. Impulsionando esse crescimento está a demanda por casos de uso como monitoramento remoto, que requerem transmissões de dados pouco frequentes e operação alimentada por bateria, características que as tecnologias LPWAN são particularmente adequadas para abordar.

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