Hoje, os avanços notáveis nas tecnologias de IoT tornaram realidade conexões antes impossíveis entre indivíduos e dispositivos. A LPWAN surgiu como um tema em alta no mundo da IoT, oferecendo soluções antes inatingíveis. Para curtos alcances, tínhamos recursos como Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee e outros. E para distâncias maiores, havia redes celulares 2G, 3G, 4G e outras.
Mas se você analisar essas tecnologias sem fio com base em suas necessidades de energia e alcance, notará que há uma lacuna para opções de baixo consumo e longo alcance. É nesse nicho que a tecnologia LPWAN se encaixa perfeitamente. Ela preenche aquela lacuna de bateria de curta duração e longa distância que faltava na linha de opções de comunicação sem fio que tínhamos antes.
LPWAN, ou Low Power Wide Area Network (às vezes também chamada de LPWA), é um termo relativamente novo que não é um padrão nem uma tecnologia única. Em vez disso, é um termo mais geral que inclui diversos protocolos proprietários e de código aberto. Em essência, LPWAN se refere a uma família de redes sem fio projetadas para comunicação de longo alcance e baixo consumo de energia entre dispositivos.
A distância de comunicação das tecnologias LPWAN varia de alguns quilômetros em áreas urbanas a mais de 10 quilômetros em áreas rurais. Isso significa, essencialmente, que a comunicação se tornará mais eficiente e econômica – ou seja, conseguiremos maximizar o alcance com menor consumo de energia. Acredita-se que, em um futuro próximo, a LPWAN terá aplicações mais amplas e de forma muito mais inovadora.
Em termos de estrutura topológica, as LPWANs podem ser divididas em duas categorias principais: estrela e malha. Nesse sentido, as tecnologias celulares são tipicamente universais e oferecem suporte à mobilidade. Topologias em estrela ou estrela-a-estrela são preferíveis para LPWANs em relação às redes em malha devido à sua relação custo-benefício.
No cerne da LPWAN, os outros componentes de uma arquitetura simples de LPWAN incluem conectividade sem fio, internet e nuvem. A estação base/gateway coleta dados de vários nós finais distribuídos remotamente e responde às entradas da LPWAN. A estação base/gateway é o dispositivo de borda que recebe e demodula esses dados e os envia por 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 gerenciadas 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.
Antes de nos aprofundarmos nas tecnologias LPWAN, é crucial entender as principais categorias em que elas se enquadram. As LPWANs podem ser amplamente classificadas em dois grupos: aquelas que operam em faixas de frequência não licenciadas (como LoRa e SigFox) e tecnologias celulares que operam em faixas de frequência licenciadas e aderem aos padrões 3GPP (como LTE-M e NB-IoT). A seguir, exploraremos algumas opções de tecnologia LPWAN implantadas ativamente.
LPWANs celulares exigem autorização de órgãos governamentais ou reguladores e normalmente utilizam a infraestrutura existente das operadoras de rede. No entanto, exigem uma conexão confiável entre o dispositivo e a estação base, sendo mais adequadas para áreas densamente povoadas, como centros urbanos, zonas residenciais e parques industriais. Os padrões de LPWAN celular incluem EC-GSM-IoT, LTE Cat. M1 (LTE-M) e NB-IoT, operando no espectro LTE (700 MHz-3.5 GHz).
EC-GSM-IoT
EC-GSM-IoT ou GSM IoT de Cobertura Estendida foi inicialmente introduzido pelo 3GPP na versão 13. Trata-se de uma tecnologia LPWAN celular baseada em eGPRS, com o objetivo de alavancar as redes e infraestrutura móveis existentes (principalmente 2G/GSM) para estabelecer comunicações remotas de IoT. Utiliza espectro licenciado para fornecer comunicações confiáveis e seguras. Comparado a outras tecnologias celulares, o GSM oferece uma cobertura mais ampla. Sua versão aprimorada, eGPRS/EDGE, mantém essa vantagem, ao mesmo tempo em que suporta taxas de dados mais altas.
IoT de banda estreita (NB-IoT)
NB-IdC (Internet das Coisas de Banda Estreita) é um padrão de tecnologia de rádio LPWAN desenvolvido pelo 3GPP para conectar dispositivos IoT. Como uma tecnologia CIoT do 3GPP, a NB-IoT define ainda mais a interface sem fio para comunicação IoT em comparação com EC-GSM-IoT e LTE-M. Operando dentro de faixas de espectro licenciadas, utiliza uma largura de banda estreita de cerca de 180 kHz. A NB-IoT foi padronizada por meio da colaboração entre o 3GPP e os principais fornecedores de equipamentos de telecomunicações, como Nokia, Huawei e Ericsson.
| Padronização | 3GPP |
| Global | Urbano (1km), rural (10km) |
| Largura de Banda | 200 KHz |
| Frequência | Bandas LTE licenciadas |
LTE-M
LTE-M (LTE-Machine-to-Machine), também conhecido como eMTC (Enhanced Machine-Type Communication), é outra tecnologia LPWAN IoT 3GPP derivada do LTE. Ela suporta taxas de dados e mobilidade mais altas (até 350 km/h) em comparação com a NB-IoT. O LTE-M opera em espectro licenciado, coexistindo com redes celulares 2G, 3G, 4G e 5G.
O LTE-M foi inicialmente denominado Low-Cost MTC na versão 3 do 12GPP e posteriormente renomeado para eMTC na versão 13. Aprimoramentos nas versões 3GPP expandiram os recursos do LTE-M. As versões 14 e 15 possibilitaram o suporte a níveis de cobertura aprimorados com mobilidade. A versão 14 adicionou a capacidade VoLTE (Voz sobre LTE). A versão 15 se baseou nisso, com novos casos de uso para dispositivos IoT de maior mobilidade. A versão 16 deu continuidade à evolução com melhorias para coexistência com o 5G New Radio (NR).
| Padronização | 3GPP |
| Variação | 1 10-km |
| Largura de Banda | 1.4 MHz |
| Frequência | Bandas LTE licenciadas |
LPWANs não celulares operam em faixas de frequência ISM não licenciadas e não dependem da infraestrutura da operadora de rede. Os dispositivos transmitem dados diretamente ou por meio de gateways para servidores de aplicativos/rede. Além de LoRa, outras LPWANs não celulares incluem Sigfox, Weightless, RPMA, Symphony Link, Wize, DASH7, etc., utilizando a faixa de frequência Sub-GHz com velocidades de comunicação que variam de ~100 bps a 250 kbps e distâncias de 2 km a 100 km. LPWANs não celulares são normalmente implantadas 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. LoRaWAN O padrão define o protocolo da camada MAC e a arquitetura do sistema operando acima da camada LoRa PHY, mantida pela LoRa Alliance, que está crescendo rapidamente com quase 500 empresas associadas globalmente.
O LoRa destina-se principalmente à comunicação uplink de múltiplos dispositivos finais para gateways, utilizando mensagens codificadas em diferentes canais e taxas de dados para reduzir colisões e aumentar a capacidade do gateway. É ideal 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.
| Padronização | Aliança LoRa |
| Variação | Urbano (5km), rural (15km) |
| Largura de Banda | 125 KHz e 250 KHz |
| Frequência | 169 MHz, 433 MHz (Ásia), 868 MHz (Europa) e 915 MHz (América do Norte) |
Sigfox
Sigfox é uma das tecnologias LPWAN não 3GPP que obteve ampla adoção. Trata-se de uma tecnologia LPWAN proprietária, que leva o nome da empresa Sigfox que a introduziu pela primeira vez. Ela utiliza rádio de banda ultraestreita para alcançar conectividade IoT sem fio de ultralongo alcance e baixo consumo de energia.
No entanto, a estreita largura de banda da Sigfox limita severamente a capacidade de downlink para transmitir dados aos dispositivos. E a banda ultraestreita pode levar a potenciais problemas de interferência. Apesar dessas limitações, a Sigfox continua sendo uma empresa de destaque em LPWAN e vem conquistando espaço na Europa.
| Padronização | Padronizado em colaboração com o ETSI |
| Variação | Urbano (10km), rural (40km) |
| Largura de Banda | 100 Hz |
| Frequência | 862 para 928 MHz |
leve
O Weightless Special Interest Group (Weightless SIG) foi criado em 2008 com o objetivo de padronizar a tecnologia LPWAN. Os membros do grupo promotor incluem Accenture, M2COMM, ARM, Telensa e Sony Europe.
O Weightless consiste em três variantes adaptadas para diferentes cenários de aplicação: Weightless-W, Weightless-N e Weightless-P. O Weightless-W opera na banda de espaço em branco da TV (TVWS) e tem uma implantação mais complexa. O Weightless-N é semelhante ao Sigfox, sendo um protocolo de banda estreita que opera na banda não licenciada sub-GHz, utilizada pela NWave. No geral, o Weightless-N e o Weightless-P receberam mais atenção e implantação em comparação com o Weightless-W.
Link Sinfônico
Symphony Link é um protocolo LPWAN desenvolvido pela Link Labs, uma empresa membro da LoRa Alliance. Embora a Link Labs utilize os 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 aberta LoRaWAN.
Em comparação com o padrão LoRaWAN, as principais diferenças no Symphony Link são alguns recursos de rede aprimorados, como entrega confiável de mensagens e expansão dinâmica de rede por meio da adição de gateways.
A LPWAN é a vencedora em termos de alcance e consumo de energia. A utilização da LPWAN permite coletar dados de sensores remotamente e rastreá-los a longas distâncias. Nesta seção, exploraremos alguns de seus casos de uso prático.
Medição Inteligente de Gás e Água
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 foram os dias em que os operadores verificavam e registravam os dados manualmente. Os usuários também podem ter visibilidade da quantidade de dados de consumo que utilizam diariamente.
Edifícios inteligentes
Dentro dos edifícios, as LPWANs são utilizadas em instalações residenciais, comerciais e industriais para torná-las mais inteligentes. Em ambientes residenciais, dispositivos domésticos inteligentes, como fechaduras inteligentes, sistemas de climatização e iluminação, podem ser integrados e gerenciados centralmente por meio da LPWAN. Em edifícios comerciais e de escritórios, a LPWAN possibilita o monitoramento centralizado da ocupação do espaço e de sistemas de segurança, como sensores de porta.
Gestão inteligente de resíduos
A gestão inteligente de resíduos está se tornando cada vez mais utilizada em iniciativas de cidades inteligentes. Sensores instalados em lixeiras podem monitorar os níveis de enchimento, transmitindo dados via LPWAN para o sistema central. Quando os níveis de enchimento predeterminados são atingidos, alertas são gerados para coleta e descarte oportunos. Além disso, é possível obter informações de localização de caminhões de lixo equipando-os com rastreadores LPWAN.
Estacionamento Inteligente
Em sistemas de estacionamento inteligentes, a tecnologia LPWAN possibilita o monitoramento e o gerenciamento em tempo real da ocupação das vagas. Sensores instalados nas vagas de estacionamento podem detectar com precisão o status de ocupação. Os usuários podem verificar as vagas disponíveis por meio de um aplicativo móvel e pagar remotamente pelo estacionamento.
Agricultura Inteligente
As LPWANs estão se expandindo para sistemas agrícolas inteligentes. Os agricultores podem instalar diversos sensores (de umidade do solo, temperatura, umidade relativa, luminosidade, etc.) nos campos. Eles podem então coletar dados remotamente desses sensores utilizando LoRaWAN ou outras LPWANs, como NB-IoT.
Dadas as inúmeras tecnologias LPWAN disponíveis, uma seleção criteriosa é crucial. De acordo com as estimativas de pesquisa de mercado da IoT Analytics, até 2024, mais de 97% dos sistemas LPWAN serão implantados usando tecnologias LTE-M, NB-IoT, Sigfox ou LoRa. Portanto, compararemos as 4 principais tecnologias LPWAN: NB-IoT, LTE-M, Sigfox e LoRa.
| LTE-M | NB-IdC | LoRaWAN | Sigfox | |
| Autoridade de Especificações | 3GPP | 3GPP | Aliança LoRa | Proprietário |
| Banda de frequência | Bandas LTE licenciadas | Bandas LTE licenciadas | Bandas ISM sem licença | Bandas ISM sem licença |
| Faixa Máxima | Aproximadamente. 10 km | Aproximadamente. 10 km | Aproximadamente 15 km | Aproximadamente. 40 km |
| Consumo de energia | Baixo | Baixo | Baixo | Ultra Baixo |
| Produtividade | 200kbps | 1mbps | 50kbps | 600bps |
| Duração da bateria do dispositivo | 10 + anos | 10 + anos | 15 + anos | 15 + anos |
| Comunicações bidirecionais | Sim | Sim | Sim | Sim |
| Total | 3GPP (128-256 bits) | 3GPP (128-256 bits) | AES 128 bits | AES 128 bits |
| Localização | Sim | Sim | Sim (TDOA) | Sim (RSSI) |
| Custo | Moderado | Moderado | Baixo | Baixo |
NB-IoT é uma tecnologia LPWAN 3GPP que utiliza redes LTE/GSM existentes para fornecer conectividade de baixa largura de banda para dispositivos IoT. Ela aprimora o consumo de energia do dispositivo, a capacidade do sistema, a eficiência do espectro e o desempenho de cobertura profunda, sendo adequada para casos de uso de IoT na indústria, automação predial, cidades inteligentes, monitoramento de saúde e resposta a desastres.
O LTE-M visa aplicações semelhantes à NB-IoT, mas com maior largura de banda para permitir maiores taxas de dados e segurança mais rigorosa, embora com maiores níveis 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 que operam em espectro não licenciado. Suas larguras de banda estreitas permitem operação em baixíssimo consumo de energia para transmissão infrequente de pequenas cargas úteis a partir de endpoints que exigem bateria com vida útil de vários anos, mas com baixas restrições de 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. Ambas podem atender a agricultura inteligente, rastreamento de ativos e cenários relacionados de monitoramento de IoT com baixa taxa de transferência.
Sendo uma nova tecnologia em rápida evolução, o cenário LPWAN encontra-se em desenvolvimento e ainda não está totalmente amadurecido. Com inúmeros participantes no mercado, os vencedores ainda não foram claramente definidos, especialmente devido ao ritmo incerto de expansão do mercado. O desempenho a longo prazo de cada variante LPWAN também permanece incerto, visto que muitas ainda estão em fases iniciais de implantação, sem testes abrangentes e em larga escala no mundo real.
Na verdade, a pesquisa da ABI Research indica um aumento projetado na adoção de dispositivos IoT, com uma estimativa 5.3 bilhões A previsão é que dispositivos de IoT aproveitem as tecnologias LPWAN até 2030. É promissor que a 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 exigem transmissões de dados pouco frequentes e operação com bateria, características para as quais as tecnologias LPWAN são particularmente adequadas.
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