Redes de Computadores II - LoRaWAN

1. Contexto

Recentemente, o termo Internet das Coisas ganhou popularidade devido ao uso mais abrangente - e dos benefícios - dos equipamentos ou coisas inteligentes. Sabe-se que, para esses equipamentos, existem alguns pilares que devem ser seguidos, que são:

A questão aqui é que a comunicação entre esses equipamentos é primordial, principalmente para mantê-los inteligentes.

Por isso, para este trabalho, vamos analisar um dos protocolos de comunicação mais eficazes - dado aqueles quatro pilares acima - para o transporte de informações, o LoRaWAN, que é um dos que possui maior raio de alcance possibilitando seu uso em diversos casos.

2. Definição

A Figura 1 mostra algumas redes sem fio e o alcance que cada uma é capaz de atingir. É claro que, para IoT, é muito mais interessante que tenhamos uma rede de longo alcance.

Tipos de Redes e Alcances
Figura 1 - Tipos de Redes e Alcances do livro Fundamentos de LoRaWAN - Teoria e Prática

Mesmo assim, cada um dos tipos possui vantagens e desvantagens. A WPAN (Wireless Personal Area Network) é mais utilizada para o espaço de uma pessoa.

A WLAN (Wireless Local Area Network) possui maior largura de banda ao mesmo tempo que consome mais energia.

Para maiores distâncias, é utillizada a WWAN (Wireless Wide Area Network) possui maior largura também consumindo muita energia.

Já a LPWAN (Low Power Wide Area Network) é uma rede que envia uma pequena quantidade de dados por segundo - o que possibilita um baixo consumo energético - por uma área de cobertura grande.

De fato, existem mais protocolos do tipo LPWAN, que podem operar em uma grande área enviando poucos dados por segundo. Entretanto, o único aberto em que é possível desenvolver de forma independente sem a necessidade de contratar alguma operadora é o LoRaWAN.

Arquitetura

Para o funcionamento, o protocolo utiliza uma faixa de frequência determinada. Aqui no Brasil, esta faixa é de 915MHz, já na Europa utiliza-se a faixa de 868MHz.

Saber disso é importante, pois o LoRa utiliza algumas estratégias para lidar com as frequências, que são 3:

  • Multiplexação por Divisão na Frequência
  • Multiplexação por Divisão no Tempo
  • Espectro de Propagação

E vamos explicar dada um deles.

2.1.1 - Multiplexação por Divisão na Frequência

Multiplexação - Frequências
Figura 2 - Multiplexação nas Frequências LoRaWAN and Internet of Things - Book

A figura 2 ilustra bem a multiplexação. Na faixa de frequências disponível para o LoRa - e LoRaWAN - é feita a divisão em faixas de frequências chamados canais que são utilizados para transmitir informação.

2.1.2 - Multiplexação por Divisão no Tempo

Aqui, os dispositivos da ponta transmitem informação de forma intermitente, ou seja, o LoRa não permite que sejam enviadas informações de forma contínua. Isso pode gerar colisões, afinal, os dispositivos não estarão sincronizados.

2.1.3 - Espectro de Propagação

Aqui, os dispositivos utilizam uma estrutura de marcação para enviar informações ao mesmo tempo e pela mesma faixa de frequência

Espectro - Frequências
Figura 3 - Espectro de Propagação LoRaWAN and Internet of Things - Book

3. O que é LoRaWAN?

Antes de falar sobre o protocolo diretamente, é bom que analisemos as diferenças entre LoRa e LoRaWAN.

LoRa é o tipo de modulação utilizado pelos dispositivos, a camada física para levar informações de um receptor para um transmissor.

LoRaWAN é a arquitetura de rede em um formato mais específico utilizado para trocar informações com um servidor LoRaWAN.

3.1 - Estrutura de uma Rede LoRaWAN

Figura 4 - Estrutura de uma Rede LoRaWAN LoRaWAN and Internet of Things - Book

A figura acima ilustra o funcionamento de uma rede LoRaWAN. Veja que a comunicação entre o servidor e o usuário em nada tem a ver com o protocolo estudado aqui, sendo apenas uma conexão de internet normal.

4. Camada de Acesso

A camada de acesso no contexto do LoRaWAN desempenha um papel crucial na comunicação entre dispositivos e a rede. É responsável por permitir que dispositivos LoRaWAN se conectem à rede, transmitam dados e recebam comandos. Essa camada é onde ocorrem as estratégias de acesso ao meio e o gerenciamento das diferentes classes de dispositivos.

4.1 Tipos de Classes de Dispositivos

Na camada de acesso do LoRaWAN, diferentes tipos de classes de dispositivos desempenham funções específicas na rede. Estas classes incluem:

  • Classe A: Dispositivos nesta classe são principalmente sensores que enviam dados para o servidor, mas só recebem dados em resposta em janelas de recepção predefinidas, sendo abertas após o envio de mensagens apenas. Com isso, é o tipo de classe que menos consome energia.
  • Classe B: Dispositivos da Classe B têm janelas de recepção programadas em intervalos regulares, permitindo a comunicação bidirecional com o servidor.
  • Classe C: Dispositivos da Classe C têm janelas de recepção sempre abertas, proporcionando comunicação bidirecional constante, embora consumam mais energia.

4.2 Segurança

A segurança desempenha um papel fundamental na camada de acesso do LoRaWAN. O protocolo LoRaWAN emprega diversas medidas de segurança para proteger os dados transmitidos, incluindo criptografia de ponta a ponta, autenticação e chaves de sessão únicas para dispositivos e servidores.

5. Camada de Rede

Na camada de rede do LoRaWAN, a infraestrutura é responsável por encaminhar dados entre os dispositivos e os servidores de aplicativos. Ela desempenha um papel crucial na entrega confiável de mensagens, roteamento e gerenciamento de dispositivos na rede LoRaWAN.

5.1 Mensagens

Na camada de rede, o LoRaWAN utiliza diferentes tipos de mensagens para estabelecer e manter a conectividade entre dispositivos e servidores. Estas mensagens incluem:

  • Mensagem de Join: Usada para registrar um dispositivo na rede LoRaWAN.
  • Mensagem de Uplink: Transporta dados do dispositivo para o servidor.
  • Mensagem de Downlink: Transporta comandos e dados do servidor para o dispositivo.

5.2 Tipos de Redes

Existem diferentes tipos de redes LoRaWAN, adequadas para diversas aplicações. Estas redes podem ser classificadas em:

  • Redes Públicas: Acessíveis a qualquer dispositivo, geralmente fornecidas por operadoras de telecomunicações.
  • Redes Privadas: Implementadas por organizações ou empresas para atender a necessidades específicas e oferecem maior controle.
  • Redes Híbridas: Combinam elementos de redes públicas e privadas para obter um equilíbrio entre custo e controle.

5.3 Configuração da Rede LoRaWAN

A configuração da rede LoRaWAN envolve a definição de parâmetros como a taxa de transmissão (spreading factor), largura de banda e potência de transmissão. Esses parâmetros são configurados de acordo com as necessidades específicas da aplicação e do ambiente em que a rede será implantada.

6. Camada de Aplicação

A camada de aplicação é onde os dados coletados pelos dispositivos LoRaWAN são processados e aplicados a cenários do mundo real. Ela desempenha um papel fundamental na extração de valor dos dados coletados, transformando-os em informações úteis para uma ampla variedade de aplicações.

6.1 Aplicações

A camada de aplicação é onde os dados coletados pelos dispositivos LoRaWAN são processados e aplicados a cenários do mundo real. Algumas aplicações típicas incluem:

  • Monitoramento Ambiental: Coleta de dados de sensores para monitorar qualidade do ar, níveis de poluição, temperatura e umidade.
  • Agricultura Inteligente: Uso de sensores para monitorar o solo, prever condições climáticas e otimizar a irrigação.
  • Cidades Inteligentes: Gerenciamento de iluminação pública, coleta de lixo inteligente e monitoramento de tráfego.

6.2 Casos de Uso

O LoRaWAN é versátil e pode ser aplicado em uma ampla gama de cenários. Alguns casos de uso comuns incluem:

  • Rastreamento de Ativos: Acompanhamento de bens, veículos e animais em tempo real.
  • Monitoramento de Saúde: Dispositivos vestíveis para monitorar sinais vitais e bem-estar.
  • Segurança e Alarmes: Alarmes de intrusão e monitoramento de segurança em locais remotos.

Questionário