O que é LoRaWAN? [Análise técnica]

Está pensando em usar o LoRaWAN para implantar sua solução de IoT? Ultimamente, tem havido algum impulso para este protocolo (caso em questão:machineQ), que funciona bem para aplicativos simples implantados em redes públicas. No entanto, se você estiver desenvolvendo uma solução de rede privada para uso industrial ou empresarial, existem algumas limitações para esta tecnologia que você precisa estar ciente (e protocolos alternativos que, em muitos casos, servirão melhor a você).

Veja o exemplo de Gateway LoRaWAN para desenvolvedores.


Neste artigo, daremos uma olhada em:

• A diferença entre LoRa e LoRaWAN
• Como funciona o LoRaWAN
• LoRaWAN classes A, B e C
• Taxa de chirp, ganho de processamento e ortogonalidade
• Barreiras para construir redes privadas com LoRaWAN
• Uma solução alternativa:Symphony Link
  
  

A diferença entre LoRa e LoRaWAN

Às vezes, as pessoas pensam que os termos LoRa e LoRaWAN significam a mesma coisa, mas são diferentes.

LoRa é um método de transmissão de sinais de rádio que usa um formato de vários símbolos chilreado para codificar informações. É um sistema proprietário feito pelo fabricante de chips Semtech; seu LoRa IP também está licenciado para outros fabricantes de chips. Essencialmente, esses chips são chips de rádio de banda ISM padrão que podem usar LoRa (ou outros tipos de modulação como FSK) para converter freqüência de rádio em bits, sem a necessidade de escrever código para implementar o sistema de rádio. LoRa é uma tecnologia de camada física de nível inferior que pode ser usada em todos os tipos de aplicativos fora de uma área ampla.

LoRaWAN é um protocolo de rede ponto a multiponto que usa o esquema de modulação LoRa da Semtech. Não se trata apenas das ondas de rádio; é sobre como as ondas de rádio se comunicam com os gateways LoRaWAN para fazer coisas como criptografia e identificação. Ele também inclui um componente de nuvem, ao qual vários gateways se conectam. LoRaWAN raramente é usado para aplicações industriais (rede privada) devido às suas limitações.

Existe outro protocolo de código aberto para LoRa que pode ser mais adequado para o seu caso de uso; baixe este white paper para uma explicação clara de como ele se compara ao LoRaWAN.

Como funciona o LoRaWAN

No nível mais fundamental, os protocolos de rádio como LoRaWAN são bastante simples. A maneira como as redes estelares conversam é semelhante à de um professor e alunos em uma aula. O gateway (o professor) fala com os nós finais (a classe) e vice-versa. Esta é uma relação assimétrica em termos de comunicação. Todos na classe poderiam estar tentando se comunicar com o professor ao mesmo tempo, mas o professor não seria capaz de ouvir ou entender todos de uma vez. Embora extremamente simplificados, muitos elementos das topologias em estrela voltam a essa analogia.

Veja o exemplo de Gateway LoRaWAN para desenvolvedores.

Isso é o que parece na prática:digamos, por exemplo, você tem quatro gateways e um nó. O nó transmite cegamente para o espectro de rádio, e qualquer gateway com sorte o suficiente para ouvir a transmissão pode pegá-la e enviá-la para a nuvem. É possível que todos os quatro gateways possam ouvir essa mensagem e enviá-la. (A única vantagem disso:as mensagens ainda podem ser transmitidas apesar dos links muito fracos. Se um nó transmitir cinco mensagens e apenas um o fizer, sua mensagem ainda terá passado.)

Depois que a mensagem é entregue, não há aviso de recebimento. No entanto, os nós em LoRaWAN podem solicitar confirmações. Se a confirmação for solicitada e todos os quatro gateways receberem a mesma mensagem, a nuvem escolherá um gateway para responder em um horário fixo, geralmente alguns segundos depois. O problema, então, é este: quando esse gateway está transmitindo de volta para o nó, ele para de ouvir todo o resto. Portanto, se seu aplicativo precisa de muitos reconhecimentos, muito provavelmente gastará mais tempo transmitindo reconhecimentos do que ouvindo, o que acabará por levar a um colapso da rede.



O diagrama acima mostra como LoRaWAN opera. A barra superior indica se o gateway está transmitindo ou não. (Se estiver laranja, está transmitindo; se for azul, não está.) A barra na parte inferior mostra os canais do receptor. Quase todos os sistemas LPWAN, incluindo LoRaWAN, têm vários canais de recepção, e a maioria dos sistemas LoRaWAN pode receber oito mensagens simultaneamente, em qualquer número de canais de frequência.

LoRaWAN classes A, B e C

LoRaWAN tem três classes que operam simultaneamente. A classe A é puramente assíncrona, que é o que chamamos de sistema ALOHA puro. Isso significa que os nós finais não esperam por um determinado momento para falar com o gateway - eles simplesmente transmitem sempre que precisam e permanecem inativos até então. Se você tiver um sistema perfeitamente coordenado em oito canais, poderá preencher cada intervalo de tempo com uma mensagem. Assim que um nó completa sua transmissão, outro começa imediatamente. Sem nenhuma lacuna na comunicação, a capacidade máxima teórica de uma rede aloha pura é cerca de 18,4% desse máximo. Isso se deve em grande parte a colisões, porque se um nó estiver transmitindo e outro acordar e decidir transmitir no mesmo canal de frequência com as mesmas configurações de rádio, eles irão colidir.

A Classe B permite que as mensagens sejam enviadas para nós alimentados por bateria. A cada 128 segundos, o gateway transmite um sinalizador. (Veja os intervalos de tempo na parte superior do diagrama.) Todas as estações base LoRaWAN transmitem mensagens de beacon exatamente ao mesmo tempo, pois são escravas de um pulso por segundo (1PPS). Isso significa que cada satélite GPS em órbita transmite uma mensagem no início de cada segundo, permitindo que o tempo seja sincronizado em todo o mundo. Todos os nós da Classe B são atribuídos a um intervalo de tempo dentro do ciclo de 128 segundos e são informados quando devem ouvir. Você pode, por exemplo, dizer a um nó para escutar a cada décimo intervalo de tempo e, quando isso acontecer, permitirá que uma mensagem de downlink seja transmitida (consulte o diagrama acima).

A classe C permite que os nós ouçam constantemente e uma mensagem de downlink pode ser enviada a qualquer momento. Isso é usado principalmente para aplicativos alimentados por CA, porque é preciso muita energia para manter um nó ativamente acordado executando o receptor o tempo todo.

Taxa de chirp, ganho de processamento e ortogonalidade

Nota:Em LoRaWAN, o fator de propagação (SF) refere-se à taxa de chirp. Este gráfico mostra a modulação LoRa Chirp ao longo do tempo. SFs diferentes podem ser decodificados no mesmo canal de frequência ao mesmo tempo.

LoRa funciona movendo um tom de RF ao longo do tempo de uma forma muito linear. Este gráfico mostra os chilros em uma cascata reversa - os dados mais recentes estão no topo, o que é chamado de “chilro para cima”. Você pode ver como essa frequência do tom está aumentando com o tempo. As transmissões LoRa funcionam por chilrear, quebrando os chips em diferentes lugares em termos de tempo e frequência para codificar um símbolo. O fato de que as transmissões LoRa saltam de um lugar para outro em um determinado momento pode significar uma sequência de bits contra outra. Não é apenas binário - ele contém muitas informações que você pode transmitir (alta profundidade de símbolo).

Pense, por um momento, em puro chaveamento de mudança de frequência (FSK). Se um tom ficasse parado por algum tempo e depois pulasse para outro lugar por um tempo, você veria linhas ou tons diferentes. Isso é chamado de FSK 2-ário, que denota dois símbolos de frequência. O FSK M-ário tem vários tons de frequência que podem representar ainda mais símbolos. LoRa pegou esse conceito, mas faz tudo em um chilrear. Então, ele está obtendo ganho de processamento. Por ter um padrão muito distinto, o receptor LoRa pode detectar chiados mais silenciosos, ou seja, abaixo do nível de ruído. Se você tiver outra transmissão acontecendo no mesmo canal em uma taxa de chirp diferente, ela será ortogonal - o que significa que pode ser detectada ao mesmo tempo. Dito isso, há muita capacidade do lado receptor.

Barreiras para construir redes privadas com LoRaWAN

LoRaWAN funciona bem para alguns aplicativos, mas não é a melhor opção para soluções implantadas pelo cliente (também conhecidas como rede privada). As principais razões para isso são:

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  A coexistência de vários gateways permite interferência. Com LoRaWAN, todos os gateways - não importa quem os possui ou opera - são sintonizados nas mesmas frequências. Isso significa que sua rede LoRaWAN vê todo o meu tráfego e vice-versa. É melhor ter apenas uma rede operando em uma única área para evitar problemas de colisão.
  
  No entanto, é possível trabalhar por meio da LoRa Alliance para ter canais específicos reservados para usos específicos. Também é possível para os operadores de rede limitar a quantidade de downlink em suas redes do lado do servidor para garantir que os endpoints de baixa prioridade não "obstruam" a rede com tráfego de downlink.
  
• Não garante o recebimento da mensagem. LoRaWAN é um protocolo assíncrono baseado em ALOHA onde taxas de erro de pacote (PER) de mais de 50 por cento são comuns. Isso é bom para algumas aplicações de leitura de medidores, mas para redes de sensores industriais ou empresariais ou sistemas de controle, 0 por cento PER é um requisito. O método “espalhar e rezar” de entrega de mensagens não é apropriado para a maioria dos casos de uso industrial, e é por isso que LoRaWAN é mais adequado para redes focadas em uplink.
• Requer uma boa quantidade de trabalho de desenvolvimento. Outro desafio que nossos clientes enfrentaram é que LoRaWAN é principalmente uma camada de link de dados (MAC) (OSI Layer 2), com apenas alguns elementos de uma camada de rede (OSI Layer 3). A partir de hoje, nenhum fornecedor oferece uma solução LoRaWAN ponta a ponta. Em vez disso, você precisa trabalhar com vários fornecedores para adquirir nós, gateways, um servidor de back-end e todas as outras partes do ecossistema separadamente. Embora isso permita muita flexibilidade nos aplicativos, deixa os desenvolvedores de aplicativos com uma boa quantidade de trabalho para produzir uma oferta de produto completa. Isso inclui empacotamento, controle de downlink, multicast, etc.
• Existem limitações do ciclo de trabalho. Existem algumas limitações inerentes às bandas de 868 MHz em redes públicas. Na Europa, a principal limitação é o ciclo de trabalho de um por cento (na maioria dos casos). Isso significa que se você medir o período médio de tempo que o gateway está transmitindo ao longo do tempo, ele não pode exceder um por cento. Por causa disso, o gateway é bastante limitado quanto à capacidade de transmissão. Nos EUA, os regulamentos da FCC para a banda ISM não têm essa limitação.
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  Ele tem um tamanho de carga útil de unidade máxima de transmissão (MTU) variável. Outra grande limitação do LoRaWAN é que o tamanho da carga útil da MTU é variável com base no fator de espalhamento que a rede atribui ao nó. Em outras palavras - se você estiver longe do gateway, o número de bytes que você pode transmitir é pequeno, mas se você estiver perto, é muito maior; você simplesmente não pode saber disso com antecedência. Portanto, o firmware ou aplicativo do nó deve ser capaz de acomodar mudanças no lado da carga útil na camada do aplicativo, o que é muito desafiador quando você está desenvolvendo firmware.
  
  A maioria dos desenvolvedores resolve esse problema selecionando o menor MTU disponível no maior fator de propagação que a rede pode atribuir, que na maioria dos casos é muito pequeno, geralmente menos de 12 bytes. Portanto, os nós LoRaWAN que precisam enviar grandes quantidades de dados, por exemplo, 300 bytes, teriam que enviá-los em 30 mensagens de 10 bytes porque eles podem enfrentar uma situação em que recebem uma pequena MTU. Como resultado, esses nós transmitem muito mais do que o necessário devido às complexas alterações de software que seriam necessárias para lidar com essas mudanças nos valores de MTU.
  

LoRaWAN é bom se você deseja construir em redes públicas operadas e pertencentes a operadoras. Existem muitos fornecedores de hardware e servidor de rede competindo neste espaço, portanto, há muitas opções. E para aplicativos simples, onde você não tem muitos nós e não precisa de muitos reconhecimentos, o LoRaWAN funciona. Mas se suas necessidades são mais complexas, você inevitavelmente enfrentará obstáculos sérios. Muitos usuários do LoRaWAN ainda não experimentaram esses obstáculos simplesmente porque suas redes ainda são bastante pequenas. Tente usar o LoRaWAN para operar uma rede pública com milhares de usuários fazendo coisas diferentes, e as dificuldades certamente aumentarão.

Além disso, desenvolver e implantar um sistema em torno do LoRaWAN é um processo complexo. Uma das razões pelas quais escrevemos este artigo é porque temos clientes que nos procuram com a impressão de que o LoRaWAN “funciona fora da caixa” como alguns modems de celular ou WiFi podem. Você vai querer ter certeza de que entende toda a arquitetura e tem um bom domínio de como o sistema funciona antes de decidir que é o melhor caminho para você.

Uma solução alternativa:Symphony Link

Symphony Link é uma pilha de protocolo LoRa alternativa desenvolvida pela Link Labs. Para lidar com as limitações do LoRaWAN - e fornecer a funcionalidade avançada que a maioria das organizações precisa para implantar com sucesso as soluções de IoT - construímos nosso próprio software com base nos chips da Semtech. Alguns de seus recursos avançados incluem:

• Um link bidirecional para recebimento de mensagem 100 por cento garantido. Nós e gateways podem se comunicar de forma confiável tanto para cima quanto para baixo.
• Ele usa uma máscara de canal dinâmica controlada pelo gateway, permitindo a coexistência de vários gateways com o mínimo de colisões possível. Até 48 gateways podem coexistir sem afetar o desempenho.
• Não há limite de ciclo de trabalho , porque na Europa, o Symphony Link usa a banda de 900 MHz.
• Symphony Link tem uma capacidade maior do que LoRaWAN , com um MTU fixo de 256 bytes. Ele lida com toda a subpacote e tenta enviar novamente a mensagem quando necessário para garantir a entrega.
• Symphony Link é uma solução de IoT ponta a ponta completa que funciona direto da caixa. Você pode colocar seu aplicativo em funcionamento mais rápido do que com LoRaWAN.

Existem muitos outros motivos pelos quais as empresas escolhem o Symphony Link; você pode ler mais sobre isso em nosso site. Ou, se quiser ver como o Symphony Link pode funcionar para seu caso de uso específico, agende uma demonstração gratuita da tecnologia hoje mesmo. Mostraremos como isso funcionará para o seu LPWA; como configurar um gateway e um kit de desenvolvimento no Symphony Conductor; e revisar as etapas de integração, orçamentos de energia e alcance. Ou, se você tiver alguma dúvida sobre a tecnologia, basta entrar em contato.