Texto extraído do site INCB - www.newtoncbraga.com.br

O que você precisa saber sobre LoRa e LoRaWan Rev 1 (TEL271)

Com a ampliação das aplicações em IoT além de outras que incluem o mundo agro, monitoramento de pessoas e animais, fitness, medicina, a necessidade de uma comunicação de dados a longa distância tem seu foco em LoRa e LoRaWan. Neste artigo, damos o básico sobre o assunto para os leitores que desejam entrar no mundo de seus projetos e precisam de conceitos básicos ou de informações adicionais.

Nosso artigo é baseado em documentação da Semtech, criadora dessa tecnologia.

Quando se fala na comunicação de dados sem fio, esbarra-se numa limitação que já abordamos em nosso site. Essa limitação é dada pelo teorema de Shannon. Como se sabe, a quantidade de dados que pode ser transmitida através de um canal está limitada a largura desse canal.

Por outro lado, sabemos que, se vamos transmitir maior quantidade de dados, precisamos alargar o canal e com isso a potência utilizada na transmissão se distribui por um espectro maior, limitando assim o alcance.

As tecnologias de comunicação digital levam em conta isso: tanto maior a taxa de dados a ser transmitida, mais potência precisamos para obter um determinado alcance.

Assim, se comparamos as tecnologias mais comuns, vemos que através de determinadas tecnologias podemos obter dispositivos com diversos desempenhos, e que encontram sua gama própria de aplicações em nossos dias.

Assim, temos o telefone celular convencional que possui longo alcance (graças ao uso das ERBs), pode trabalhar com taxas elevadas de dados, mas que precisando de maior potência, tem uma autonomia menor para sua bateria.

Temos o Wi-Fi ou Local Area Network que tem pequeno alcance, trabalha com taxas elevadas de dados, seu custo é médio, mas ainda tem uma durabilidade de bateria (no caso em que é usada) pequena.

Também temos a NB-IoT ou Narrow Band IoT (Internet das Coisas de Banda Estreita) que é utilizada em dispositivos fixos, pequeno alcance com baixa taxa de dados. A baixa taxa de dados permite o uso de pequenas potências e com isso se obtém boa autonomia para a bateria.

Também incluímos no grupo o Bluetooth que se enquadra em uma Personal Area Network ou rede de área pessoa. Com muito pequeno alcance, baixa taxa de dados, baixo custo ela proporciona uma boa autonomia para a bateria.

Uma outra tecnologia importante é a Cat-M1 que apresenta características de longo alcance, alta taxa de dados, alto consumo de bateria e custo médio.

Mas, o destaque é para a LoRa que se enquadra no que se denomina que apresenta características de Longo Alcance (Long Range, como o nome já indica), baixa taxa de dados, longa duração para bateria, baixo custo e alta capacidade para a quantidade de dispositivos. É dela justamente que vamos tratar agora.

 

O que é LoRa e LoraWAN

LoRa consiste numa tecnologia de modulação que permite a elaboração de sistemas de comunicação de dados em redes cobrindo grandes áreas (LPWAN) ou WA significa Wide Area ou área ampla e LP vem de Low Power e N de Network – rede)

LoRa foi criada pela Semtech para padronizad as LPWAN proporcionando um alcance de até 5 km em áreas urbanas e 15 km em áreas rurais. A característica-chave desta tecnologia é a baixa potência. Alguns dispositivos podem usar baterias que podem durar até 10 anos.

Algumas características destacadas:

a) Longo alcance, incluindo a penetração dos em edifícios com muitos andares. Topologia em estrela para a rede.

b) Longa duração para a bateria, chegando a 10 anos.

c) Alta capacidade, podendo ser aviadas milhões e mensagens por estação base/gatway

d) Infraestrutura mínima, software open-source

e) Localização: dentro e fora de ambientes, preciso sem o uso de GPS.

f) Roaming

g) Segurança: AES-128, ID único

Analisando essas características, podemos destacar a alta durabilidade da bateria dada pela possibilidade de se transmitir pequenos pacotes de dados poucas vezes por dia. Além disso, quando os dispositivos estão em repouso (sleep) o consumo é extremamente baixo.

Outra característica importante é que uma rede LoRaWAN pode suportar milhões de mensagens. Com isso até 60 000 dispositivos podem ser utilizados, e com 10 gateways pode chegar a 100 000 dispositivos e 1 milhão de mensagens.

 

A Modulação dos sinais

A modulação utilizada é uma variação da tecnologia Chirp Spread Spectrum (CSS) derivada da técnica de modulação em espectro espalhado (veja artigos no site).

Com essa tecnologia temos um compromisso entre a sensibilidade e a taxa de dados, ao mesmo tempo operado num canal de largura fixa entre 125 kHz e 500 kHz para o uplink e 500 kHz para o downlink. Com esse compromisso obtemos uma maior durabilidade para a bateria.

Na figura temos a organização das camadas de dados utilizadas.

 

Figura 1 – O sistema utiliza 7 camadas de dados
Figura 1 – O sistema utiliza 7 camadas de dados

 

Na figura 2 temos o modo como sinal é utilizado no sistema DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum).

 

Figura 2 – A distribuição do sinal ao longo do espectro
Figura 2 – A distribuição do sinal ao longo do espectro

 

 

É nessa alteração dos dados com sua multiplicação da sequência de dados que justamente se obtém maior alcance. Com esse recurso temos maior ganho e menor relação sinal-ruído no receptor e com isso é possível manter menor nível de saída de sinal com maior alcance quando comparamos, por exemplo, a outras tecnologias de modulação como a FSK.

 

Os parâmetros regionais

Para cada região temos parâmetros próprios definidos em documento que pode ser acessado em: https://lora-alliance.org/resource-hub/rp002-100-lorawanr-regional-parameters

 

Os elementos de uma rede LoRaWAN

Na figura 3 temos os elementos básicos de uma rede LoRa com topologia em estrela.

 

Figura 3 – Topologia em estrela (fig do livrio do Luiz Henrique)
Figura 3 – Topologia em estrela (fig do livrio do Luiz Henrique) | Clique na imagem para ampliar |

 

Para a criação de uma rede LoRa existem duas possibilidades. Pode-se fazer uso de uma rede pública que é mantida por uma operadora, a qual disponibiliza o acesso a quem desejar. Por outro lado, existe a possibilidade de se implementar uma rede particular que é criada por alguém que faz seu uso restrito.

Mas, o principal problema que temos hoje está na distribuição das frequências do espectro que podem ser utilizadas. Milhões, ou esmo bilhões de dispositivos estão compartilhando uma faixa limitada do espectro eletromagnético devendo, portanto, haver uma distribuição muito bem definida. Assim, os governos dos países criam normas e regras para o uso do espectro e pequenas diferenças podem ocorrer.

Assim, as frequências destinadas a operação das redes LoRa num país podem ser diferentes de outros. Isso é muito importante para os projetistas que devem então escolher os circuitos que sejam permitidos nos locais em que pretendem vender seus produtos. No Brasil, as normas são estabelecidas pela Anatel, devendo ser consultadas, portanto, se você pretende criar um produto.

Assim, temos o ato 1448 publicado em 2017 que regulamenta a tecnologia LoRa no brasil e que pode ser consultado em https://www.anatel.gov.br/legislacao/atos-de-certificacao-de-produtos/2017/1139-ato-14448

Para a américa latina a faixa de frequências vai de 915 MHz a 928 MHz, o denominado padrão Australiano de 923 MHz.

Voltaremos oportunamente em outro artigo com uma análise mais profundo do modo como as redes LoRa podem ser implementadas. Também estaremos lançando em breve o livro: IoT com RedFox de Luiz Henrique Correa Bernardes que traz uma abordagem prática para a implementação produtos IoT usando Sigfox numa rede LPWAN.