3.2 Componentes da Arquitetura

A rede segue a topologia estrela-de-estrelas, formada por:

• Dispositivos Finais (End-Devices): Normalmente sensores e atuadores de baixo consumo. Executam tarefas simples e transmitem pequenos pacotes, podendo operar por anos com uma única bateria.
• Gateways: Recebem os sinais LoRa dos dispositivos e encaminham os dados para o servidor de rede via IP. Cada gateway pode cobrir até 15 km em áreas rurais e cerca de 3 km em áreas urbanas densas.
• Servidor de Rede (NS): Responsável pela lógica da camada MAC, incluindo deduplicação de pacotes, gerenciamento de janelas de recepção, autenticação, alocação de endereços e ajustes de parâmetros de transmissão (ADR).
• Servidor de Aplicação (AS): Onde os dados brutos são processados, descriptografados e entregues às aplicações finais, como sistemas de monitoramento ou automação.
• Join Server (JS): Especializado na autenticação e na distribuição de chaves de segurança durante o processo de adesão (OTAA).

3.3 Mecanismo de Acesso (MAC)

O LoRaWAN utiliza um mecanismo de acesso ao meio baseado em Pure ALOHA, um modelo simples no qual os dispositivos transmitem sempre que precisam, sem escuta prévia do canal e sem qualquer forma de agendamento centralizado. Esse design reduz drasticamente o consumo de energia dos dispositivos finais, pois eles não precisam manter o rádio ligado para sincronização ou coordenação.

No Pure ALOHA, uma transmissão é bem-sucedida apenas se nenhum outro dispositivo transmitir dentro de uma janela de vulnerabilidade equivalente a aproximadamente 2 × Time on Air do pacote. Quando dois pacotes se sobrepõem parcialmente no tempo, na mesma frequência e usando o mesmo Spreading Factor (SF), ocorre uma colisão e ambos são perdidos. Por isso, a taxa de colisão cresce rapidamente conforme o número de dispositivos aumenta.

Para compensar essa limitação do acesso aleatório, o LoRaWAN combina três estratégias fundamentais:

• Múltiplos canais de rádio: gateways geralmente suportam 8 ou mais canais simultâneos, distribuindo o tráfego e reduzindo a probabilidade de colisão.
• Uso de Spreading Factors ortogonais: dispositivos podem transmitir simultaneamente no mesmo canal utilizando SFs distintos (SF7–SF12). Esses sinais são tratados como praticamente independentes, permitindo que o gateway receba várias transmissões paralelas. Essa ortogonalidade é um dos pilares da escalabilidade do LoRaWAN.
• Duty-cycle regulatório: em regiões como Europa (ETSI 868 MHz), dispositivos e gateways são limitados a transmitir apenas 1% do tempo em cada canal. Embora o objetivo seja evitar congestão do espectro ISM, na prática esse limite reduz a quantidade de mensagens que cada dispositivo pode enviar e impõe maior espaçamento entre transmissões, o que, de forma indireta, reduz a chance de colisões.

Do ponto de vista do MAC, o LoRaWAN implementa ainda:

• Deduplicação no Network Server: como um uplink pode ser recebido por múltiplos gateways, o servidor de rede detecta duplicatas e elimina redundâncias, aumentando confiabilidade sem penalizar o canal.
• Confirmação opcional (ACK): dispositivos podem solicitar confirmação, mas isso implica downlinks adicionais, que são extremamente limitados devido ao duty-cycle dos gateways, tornando ACKs um recurso que deve ser usado com cautela.

No conjunto, o MAC do LoRaWAN é deliberadamente simples para maximizar a eficiência energética, mas isso traz desafios naturais de congestionamento e escalabilidade. Por esse motivo, mecanismos como ADR (para reduzir o tempo no ar), múltiplos canais e ortogonalidade dos SFs são essenciais para manter a rede funcional mesmo com milhares de dispositivos.

3.5 Segurança e Ativação

O LoRaWAN implementa criptografia AES-128 em dois níveis: segurança de rede (integridade e autenticação) e segurança de aplicação (confidencialidade dos dados). Existem dois modos de ativação:

• OTAA (Over-The-Air Activation): O método mais seguro. O dispositivo envia uma requisição ao servidor de adesão e recebe chaves dinâmicas de sessão (NwkSKey e AppSKey), garantindo maior resiliência contra ataques.
• ABP (Activation by Personalization): Chaves e endereço são configurados estaticamente no dispositivo. Simples, porém vulnerável a ataques de repetição e clonagem.

3.6 Taxa de Dados Adaptativa (ADR)

O Adaptive Data Rate é um mecanismo central para otimizar o equilíbrio entre alcance, consumo de energia e capacidade da rede. O servidor de rede ajusta dinamicamente parâmetros como o Spreading Factor (SF) e a potência de transmissão (TP) de cada dispositivo. Dessa forma:

• Dispositivos próximos ao gateway usam SF menores (maior taxa de dados, menor tempo no ar, menor consumo).
• Dispositivos mais distantes recebem SF maiores, garantindo alcance mesmo com maior consumo e latência.

Esse mecanismo permite aumentar significativamente a capacidade global da rede, reduzindo colisões e prolongando a vida útil das baterias.

3.7 Limitações e Desafios

Apesar de suas vantagens, o LoRaWAN enfrenta desafios relevantes:

• Escalabilidade: O aumento do número de dispositivos eleva colisões e retransmissões, impactando o throughput.
• Eficiência Energética: Estratégias de economia são essenciais, pois muitos dispositivos operam em locais de difícil acesso para troca de baterias.
• Latência: Em aplicações críticas (ex.: alarmes em tempo real), a natureza assíncrona e o duty-cycle podem ser limitantes.
• Segurança: Embora haja criptografia, dispositivos configurados em ABP ou com chaves mal gerenciadas são alvos fáceis de ataques.