Explicação do LoRa e razões-chave para o seu uso

O que isso significa para a comunicação sem fio baseada em IdC

Barcelona, Janeiro de 2020
A crescente adoção das tecnologias de Internet Industrial das Coisas (IIoT) intensificou a necessidade de entender melhor como os sistemas IoT funcionam, que opções estão disponíveis no mercado e o que os torna diferentes em termos de desempenho. Ao usar a tecnologia IoT para monitorar os riscos de ativos ou infraestruturas críticas, todos esses elementos ajudam a garantir operações confiáveis. Atecnologia de rede LoRa, em particular, é frequentemente referida como a solução industrial mais comum para conectar sensores sem fio e transmitir dados .
Neste artigo, Albert Zaragoza, CTO da Worldsensing, líder mundial em IdC, discute opções de conectividade e fornece detalhes sobre como tornar os sistemas de rede mais compreensíveis.

Albert Zaragoza, CTO do Worldsensing

P: Mais setores industriais estão adotando tecnologias de IOT para melhorar seus programas de gerenciamento de risco, otimizar suas operações e reduzir custos. De um ponto de vista técnico, quais são os desafios atuais para a IdC?

IoT tem sido amplamente adotada por muitos setores e empresas, mas não podemos esquecer que o ecossistema ainda é jovem. Muitos provedores de tecnologia IdC são bastante novos para os desafios que a construção de hardware, comunicações e software trazem à mesa.
Interoperabilidade, ou seja, a capacidade de trocar e usar informações, entre todos os nós e sensores de diferentes fornecedores é um desafio claro. Ainda estamos longe de ter diferentes plataformas, estruturas de dados e interfaces trocando dados de forma eficaz para beneficiar os usuários finais.
A segurança é outro desafio que deve preocupar não só o ecossistema IoT, mas todas as empresas em todo o mundo. Mecanismos de criptografia devem ser adotados para garantir a integridade dos dados, e os usuários finais devem ter controle total sobre quem pode ver e operar seus dados.
Além disso, os dados do IoT viajam por redes de transmissão sem fio e um desafio claro é garantir que um grande número de dispositivos sensores possa transmitir dados sem causar qualquer perda de dados devido a congestionamento da rede, interferência ou phishing externo.
Com certeza, tempos desafiadores, mas emocionantes, estão à nossa frente no espaço IoT.

Estandes Worldsensing e LoRa Alliance durante o Congresso Mundial da Smart City Expo, em novembro de 2019

P: Para conectar sem fio 'coisas' operadas por baterias à internet em redes regionais, nacionais ou globais, é necessário um sistema de comunicação via rádio. Existe uma variedade de sistemas ou redes para isso? Você poderia explicar?

Entender o problema que estamos tentando resolver ou os requisitos do caso de uso é fundamental para selecionar a tecnologia certa para o trabalho. Existem muitas tecnologias de comunicação sem fio por aí, mas podemos dividi-las em três grupos:

• Curto alcance,
• Celular,
• Longo alcance.

O curto alcance inclui tecnologias como Bluetooth, NFC/RFID ou Zigbee, entre muitas outras, mas definitivamente não estão adaptadas a cenários que requerem comunicações a longa distância.
As tecnologias celulares [2G, 3G, 4G etc.] podem proporcionar uma maior cobertura, mas também consomem muita energia do dispositivo e não são ideais para uso com dispositivos de baixa potência.
As características acima mencionadas e as necessidades de muitos casos de uso industrial da internet sem fio estimularam o desenvolvimento de uma nova onda de tecnologias de comunicação sem fio conhecidas como rede de área ampla de baixa potência ou LPWAN. Exemplos de implementações de LPWAN são IoT de banda estreita (NB-IoT), Sigfox ou LoRa, para citar alguns. Elas são ideais para ambientes industriais e ganham popularidade devido às suas características de comunicação de longo alcance, baixa potência e baixo custo.

P: Então, de acordo com isto, LoRa é um dos protocolos disponíveis para comunicações LPWAN. Porque é que o Worldsensing decidiu utilizar o LoRa e não uma das outras redes que mencionou?

Nossos clientes precisam monitorar as operações que exigem uma ampla cobertura de comunicação e, ao mesmo tempo, uma excelente disponibilidade de conexão. Para garantir isso, precisamos considerar quatro fatores importantes, o primeiro é a quantidade de dados que podem ser transmitidos. O volume de dados tem um impacto direto no consumo de energia dos dispositivos sensores, que são alimentados por bateria e precisam durar anos. O alcance, ou seja, a distância que os dados percorrem, também afeta a vida útil da bateria. Por último, a facilidade de implementação é fundamental quando se trabalha em ambientes industriais.
A tecnologia LoRa dá-nos o equilíbrio certo entre todos estes elementos, em particular:

• Cobertura: garante uma longa distância de transmissão, com um alcance comprovado de até 15 km ou 9 milhas.
• Baixo consumo de energia: a duração da bateria é de até 10 anos.
• Eficiência de custos: especialmente na monitorização a longo prazo, a tecnologia LoRa pode ser mais rentável do que as soluções tradicionais, reduzindo a mão-de-obra.
• Escalabilidade: adicionar e/ou substituir nós à rede à medida que o projecto evolui é fácil e transparente para o operador, mantendo ao mesmo tempo a integridade dos dados.
• Fiabilidade: está provado que é robusto e tem uma forte protecção contra interferências.
• Segurança: a proteção e a privacidade dos dados são alcançadas através da criptografia AES 128 em múltiplos níveis para todos os dados que são enviados dos sensores para o servidor de aplicação e vice-versa.

Além disso, LoRa é uma tecnologia de camada física que modula os sinais nas bandas de frequência sub-GHz Industrial, Científica e Médica. Permite-nos criar e implementar redes privadas nas localizações dos nossos clientes, sem restrições. Esta é uma grande vantagem em comparação com a Sigfox e a Narrowband Internet of Things, que são controladas por operadores de rede.
Ter o programa de certificação e conformidade LoRa Alliance, que garante a interoperabilidade de todos os produtos e tecnologias LoRaWAN®, também é ótimo para o ecossistema. Esta comunidade está se tornando a maior e mais crescente aliança no setor de tecnologia. Está constantemente a trabalhar para melhorar as capacidades tecnológicas do LoRa: recentemente ficámos surpreendidos quando bateu um recorde mundial na transmissão de dados à distância.
Em suma, com LoRa podemos assegurar a disponibilidade e melhorar a precisão dos dados, o que é muito importante para nós, a fim de servir os nossos clientes e parceiros de forma eficaz.

P: Existem outros elementos que possam impactar significativamente o desempenho e a qualidade da transmissão de dados?

Ao falar sobre como diferentes componentes e dispositivos se comunicam sem fio dentro de uma rede IoT, definir e selecionar a estratégia de topologia correta é fundamental. As topologias diferem muito em como elas fornecem recursos de segurança, consumo de energia, custo e complexidade, portanto escolher a correta é essencial para evitar problemas mais adiante.
Ao arquitetar uma solução de rede sem fio, há duas topologias principais que podem ser usadas: star e mesh. Uma topologia em estrela organiza dispositivos em torno do controlador central, também conhecido como gateway. Por outro lado, uma topologia mesh conecta cada dispositivo a outro dispositivo com um link ponto-a-ponto.

Diagramas mostrando topologias de rede: estrela (esquerda) e malha (direita)

Nós podemos listar as seguintes vantagens e desvantagens para cada topologia quando aplicada a cenários de redes de IOT sem fio.
Vantagens da malha:

• Gerencia grandes quantidades de tráfego. Múltiplos dispositivos podem transmitir dados simultaneamente.
• Uma falha de um dispositivo não causa uma quebra na rede ou na transmissão de dados. Necessita de ter mecanismos de auto-cura na rede para ser implementado.

Topologia da Malha - Desvantagens:

• Muito caro de instalar. Especialmente para cenários de longa distância, a quantidade de repetidores necessários aumenta rapidamente.
• Configuração e gestãocomplicada da rede, devido ao elevado número de ligações.
• Alto consumo de energia. Apesar da baixa potência de transmissão, os nós devem estar acordados e ouvindo todas as mensagens que precisam ser retransmitidas.
• Vulnerabilidade a ataques de segurança. Uma brecha num dos nós coloca toda a rede em perigo.

Topologia Estelar - Vantagens:

• Oscustos e o esforço deinstalação são controlados devido à complexidade reduzida para a instalação da rede. O hub é instalado em um ponto central e os nós são adicionados conforme necessário durante a vida útil do projeto.
• Arede pode ser facilmente ampliada. Novos nós são conectados diretamente ao hub sem ter um impacto no resto da rede.
• Menor consumo de bateria dos nós. Pode ser melhor controlado, pois é facilmente calculado com base na quantidade de comunicação com o hub.
• Resiliência. O mau funcionamento de um único nó não afecta o resto da rede.

Topologia das Estrelas - Desvantagens:

• Para redes menores, o custo do hub pode representar um grande investimento.
• Um único ponto de falha. O mau funcionamento do hub faz cair toda a rede. A escolha de um parceiro especializado com soluções robustas e comprovadas e mecanismos de monitoramento confiáveis é crucial.

P: Existem aplicações ou sectores específicos onde a utilização do LoRa é mais adequada ou pode traduzir-se num benefício significativo?

Em geral, LoRa é um ótimo ajuste para projetos complexos que apresentam desafios de monitoramento muito específicos, como operações de mineração a céu aberto que normalmente cobrem grandes áreas ou grandes projetos de construção.
Em túneis e projectos de construção onde os pontos de monitorização estão normalmente espalhados por vários quilómetros, os operadores necessitam que os dados sejam transmitidos a longas distâncias por dispositivos que necessitam de muito pouca energia e não dependem da cobertura do sinal. Esta é, na verdade, uma exigência do mercado geotécnico em geral. Temos que ter em mente que para a construção de túneis, em particular, a dimensão de cada projeto normalmente cobre mais de 3 km ou 1,9 milhas, e a distância entre pontos de monitoramento também pode ser significativa (mais de 100 m ou 110 jardas).
Obviamente, isto também é válido para a monitorização de infra-estruturas e bens críticos onde não é possível a interrupção do serviço devido ao impacto que isso significaria. Esses ativos dependem da transmissão de dados para gerenciar operações que precisam de desempenho sem interrupção.
LoRa será um benefício sempre que for necessário um programa confiável de monitoramento em tempo real para garantir a integridade de qualquer estrutura, como pontes, barragens, edifícios ou outras infra-estruturas.
Além disso, LoRa oferece a possibilidade de implantar redes privadas, permitindo que o usuário tenha controle e seja independente de grandes operadores de rede. Para projetos onde esta é uma exigência, LoRa é a opção mais adequada.
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