Rede de longa distância de baixa potência (LPWA)

Tecnologia de rede remota de baixa potência (LPWA; também conhecida como LPWAN ) permite que dispositivos conectados se comuniquem em grandes áreas geográficas a uma taxa de bits baixa. É um termo amplo para a variedade de tecnologias usadas para conectar sensores e controladores à Internet sem o uso de Wi-Fi tradicional ou celular.

LPWA começou formalmente por meio de uma empresa francesa chamada Sigfox . (Embora tenha havido precursores para este desenvolvimento, que você pode ler aqui.) Sigfox desenvolveu um sistema de telecomunicações alternativo depois de perceber que as necessidades de dispositivos de Internet das Coisas (IoT) de baixa potência e baixa taxa de dados estavam sendo mal atendidas pelo celular redes. A tecnologia celular tradicional, usada para coisas como smartphones, cobre uma ampla área e consome uma quantidade excessiva de energia; Os dispositivos IoT requerem menos energia para pacotes de transmissão menores. Para melhor atender aos requisitos de dispositivos M2M e IoT, a Sigfox criou um novo tipo de tecnologia de rede com as seguintes características:

• Chipsets e redes baratos.
• Bateria de longa duração.
• Comunicação de dados limitada.

A tecnologia Sigfox envia quantidades muito pequenas de dados (12 bytes) muito lentamente (300 baud) usando métodos de transmissão de rádio padrão (chaveamento de fase, DBPSK, subindo e chaveamento de freqüência, GFSK, descendo). O longo alcance é obtido como resultado de mensagens muito longas e muito lentas. A Sigfox comercializou sua solução IoT proprietária e agora possui e opera uma rede - principalmente na Europa - que usa sua tecnologia.

Hoje, Sigfox não é a única organização que cria a tecnologia LPWA. A LoRa Alliance desenvolveu LoRa , outra tecnologia de radiofrequência que usa espectro de rádio não licenciado para permitir comunicação de baixa potência e ampla área entre os dispositivos. LoRa é suportado exclusivamente por chips fabricados pela Semtech; é diferente do Sigfox porque usa espectro de propagação chirp, onde o Sigfox usa tecnologia de banda estreita (ou banda ultra estreita). LoRa em si não é uma solução LPWA, mas LoRaWAN - uma especificação de protocolo construída sobre a tecnologia LoRa - é.

Muitas empresas, incluindo o Link Labs, capitalizaram no rápido crescimento do mercado LPWA construindo tecnologias maiores no topo do chip LoRa, encontrando maneiras alternativas de conectar dispositivos IoT. Todos estão encontrando seu próprio nicho dentro do espaço LPWA. LoRaWAN e Symphony Link são duas das principais tecnologias em desenvolvimento e implantação ativos.

• LoRaWAN é um protocolo aberto construído usando o esquema de modulação LoRa, que foi desenvolvido para uso por operadoras sem fio que desejam usar espectro não licenciado para se comunicar com dispositivos IOT em sua rede. Ele é projetado para redes públicas de grande escala com uma única operadora.

• Symphony Link também é construído com base na tecnologia de camada física de espalhamento espectral da LoRa; é uma especificação alternativa ao LoRaWAN desenvolvida pela Link Labs. Link Labs atende clientes que estão tentando vender dispositivos conectados de terceiros em uma empresa ou ambiente industrial.

Abaixo, veremos as diferenças técnicas entre a tecnologia sem fio do Link Labs e o LoRaWAN e cobriremos os recursos avançados do Symphony Link.

Assista ao nosso webinar para saber mais sobre o tipo de tecnologia LPWAN certa para o seu caso de uso.

Symphony Link vs. LoRaWAN

Symphony Link ® é um sistema sem fio desenvolvido pela Link Labs. É usado principalmente por clientes industriais e empresariais que amam a variedade de LoRa, mas precisam de alta confiabilidade e recursos avançados em seu sistema LPWA.

LoRaWAN é um protocolo de camada de controle de acesso à mídia (MAC) projetado para redes móveis, principalmente na Europa.

codificação de símbolo LoRa

Tanto o Symphony Link quanto o LoRaWAN usam o esquema de modulação LoRa da Semtech. Essencialmente, LoRa é uma forma de onda. Ele usa uma tecnologia de espalhamento espectral chirped que codifica vários bits por símbolo, tem empacotamento integrado e correção de erros e funciona com um grande processador de sinal digital de banda base integrado, chamado SX1301. LoRa® é uma marca comercial da Semtech. O papel que LoRa desempenha em LoRaWAN® e Symphony Link® está na camada 1, ou a camada física. É análogo ao Frequency Shift Keying ou outra tecnologia PHY em um sistema diferente.

Modelo de dados OSI

A tecnologia LoRaWAN é útil, com um grande e crescente ecossistema de fornecedores, mas tem várias limitações que a tornam inadequada para soluções de rede privada:

• Taxas de erro de pacote acima de 50% são comuns, pois LoRaWAN é um protocolo assíncrono baseado em ALOHA com confirmações muito limitadas. LoRaWAN, Sigfox e outros utilizam um método “pulverizar e orar” de entrega de mensagens que não é apropriado para a maioria dos casos de uso industrial. O reconhecimento de 100% da mensagem é fundamental para a maioria das organizações, que usam os dados coletados para análise de negócios.

• Apenas uma rede pode operar em uma área sem interferência. No LoRaWAN, todos os gateways, independentemente de quem os possui ou opera, usam os mesmos canais de frequência. Isso significa que sua rede LoRaWAN vê todo o meu tráfego e vice-versa. Meu servidor não pode descriptografar suas mensagens, mas consome a capacidade da mesma forma. Este tipo de interferência da camada 2 pode ser muito problemático para a escala das redes LoRaWAN.

• É quase impossível atualizar o dispositivo firmware over the air usando LoRaWAN. LoRaWAN afirma ser capaz de fazer atualizações de firmware, mas não parece plausível quando você soma o tempo (que pode ser vários dias ou até semanas), a complexidade (já que você tem que gerenciar a atualização do firmware completamente na camada de aplicativo) e o efeito sobre o desempenho da rede (enviar muitos downlink em uma rede LoRaWAN faz com que a taxa de erros de pacotes suba vertiginosamente, uma vez que o gateway está transmitindo com frequência - mas os nós não sabem disso quando estão tentando enviar mensagens). Todos os nossos grandes clientes OEM não seriam capazes ou ficariam insatisfeitos em ir ao mercado com o firmware que teriam de tocar fisicamente para atualizar.

• Não tem solução multicast real. Como o LoRaWAN criptografa todo o tráfego tanto para cima quanto para baixo em uma base de um para um, implementar multicast para sistemas de controle, como um sistema de iluminação, por exemplo, é muito difícil.

• LoRaWAN é projetado em torno de um limite de ciclo de trabalho de 1% orientado pelos requisitos ETSI europeus, o que impede que LoRaWAN seja usado em sistemas que precisam da capacidade de enviar muitos dados de uma vez. Como esse limite também se aplica à estação base LoRaWAN, sua capacidade de controlar a rede, enviar comandos ou enviar confirmações é muito limitada.

• Os limites do ciclo de trabalho da arquitetura LoRaWAN evitam que os repetidores operem com aquele sistema. Mas os repetidores são uma necessidade para algumas empresas porque ajudam a reduzir os requisitos de infraestrutura de rede e são uma forma econômica de expandir o desempenho e a escala da radiofrequência.

• LoRa é incapaz de controle de energia e taxa de dados em tempo real. Sua faixa dinâmica no canal é limitada a cerca de 20 dB; devido a problemas de faixa dinâmica, um transmissor próximo à estação base impedirá que o nó mais distante seja ouvido. E como há poucos reconhecimentos no LoRaWAN, essas mensagens seriam perdidas. (No futuro, se grandes redes públicas LoRaWAN com muitas estações base ao alcance forem construídas, este efeito seria um pouco mitigado.) LoRaWAN tem Adaptive Data Rate (ADR) também, mas como é conduzido pelo servidor, se um nó o link desaparece repentinamente, o servidor não tem como informá-lo para alterar os fatores de propagação para compensar.

• As falhas de segurança LoRaWAN não representam um risco significativo para a maioria dos usuários, mas o uso de chaves e identidades pré-compartilhadas cria vulnerabilidades.

• Qualquer pessoa que opere uma rede LoRaWAN pública precisa receber um NetID da LoRa Alliance. Uma vez que estão disponíveis apenas para membros contribuidores e superiores, faça um orçamento de $ 20.000 por ano para usar o LoRaWAN.

A LoRa Alliance está trabalhando duro para aprimorar a tecnologia, mas a partir de agora, LoRaWAN é melhor para clientes que desejam desenvolver soluções para se conectar a redes públicas LoRaWAN. Para redes privadas, recomendamos fortemente que nossos clientes usem o Symphony Link.

Motivos pelos quais os clientes escolhem Symphony Link® em vez de LoRaWAN®

Recebimento de mensagem garantido.

Alguma porcentagem de mensagens não confirmadas é adequada para algumas aplicações de leitura de medidores, mas para redes de sensores industriais ou empresariais ou sistemas de controle, 0% PER é um requisito. Temos muitos clientes do Symphony Link, de empresas da Fortune 100 a startups, que tentaram construir no LoRaWAN e falharam. O Symphony Link MAC reconhece todas as mensagens, tanto para cima quanto para baixo.

Firmware Over-the-Air.

Com o Symphony Link, você pode atualizar o firmware do host em seu dispositivo depois de colocá-lo em campo. Essa é uma grande vantagem no início da evolução da IOT, pois permite que os clientes cheguem ao mercado mais rapidamente e com menos risco. Para muitos clientes, esse é o maior motivo para adotar o Symphony Link.

Sem limite de ciclo de trabalho.

Na Europa, o Symphony Link usa o Frequency Hopping Listen-Before-Talk mais a banda de agilidade de frequência adaptável, que remove o limite do ciclo de trabalho. Na banda de 900 MHz, não há limite de ciclo de serviço. Além disso, usando um esquema de salto de frequência completo, os dispositivos finais podem transmitir até 1W na banda de 900 MHz. Isso é ótimo para dispositivos alimentados por CA, como medidores de eletricidade e luzes.

Repetidores.

Como o Symphony Link é um protocolo síncrono, os repetidores permitem que os usuários expandam o alcance da rede drasticamente sem afetar a latência. Os repetidores custam muito menos do que um ponto de acesso externo e, portanto, permitem que os clientes do Symphony Link cubram áreas maiores sem gastar milhares adicionais em infraestrutura. Eles também são muito eficientes em termos de energia, portanto, os repetidores podem ser alimentados por energia solar ou bateria.

Qualidade de serviço.

Com o Symphony Link, o gateway está no controle da rede que está criando, implementamos um sistema de classificação de qualidade de serviço para permitir que nós com tráfego importante tenham prioridade sobre dispositivos com tráfego de prioridade mais baixa. Você não quer que um alarme tenha que competir com um medidor de água pelo acesso ao canal.

Sem configuração por dispositivo.

Provavelmente, a maior dor de cabeça ao usar o LoRaWAN é o gerenciamento complicado de várias chaves de criptografia por dispositivo, tanto no momento da produção do dispositivo quanto no lado do servidor. Com o Symphony Link, a configuração do dispositivo host é a mesma para todos os dispositivos do mesmo tipo, e a troca de chaves é realizada por meio de nossa arquitetura Diffie Hellman AES baseada em PKI de classe mundial.

Controle de energia e taxa de dados em tempo real.

No Symphony Link, antes de cada transmissão, um dispositivo final calcula o link reverso para o gateway e ajusta sua potência de transmissão e fator de difusão ou taxa de modulação de acordo. Dessa forma, os nós em toda a rede têm um orçamento de enlace balanceado. Nós próximos estão transmitindo silenciosamente e rapidamente, e nós distantes estão transmitindo alta e lentamente. E o ADR no Symphony Link trata da otimização do desempenho e da confiabilidade. O Symphony Link ADR otimiza instantaneamente a capacidade ainda melhor do que o LoRaWAN.

Sem falhas de segurança.

Com o Symphony Link e o uso de uma infraestrutura de chave pública (PKI), o canal sem fio over-the-air é considerado inquebrável pelos padrões da NSA. A PKI também evita spoofing e garante a identidade da infraestrutura.

Coexistência de múltiplos gateway e mitigação de interferência.

O Symphony Link usa uma máscara de canal dinâmica que é controlada pelo gateway para garantir o mínimo de colisões possível. Nos EUA, o Symphony Link usa 28 vezes mais espectro do que LoRaWAN e na Europa sete vezes mais.

Maior capacidade.

Ao usar recursos assíncronos como slotting e coordenação de uplink / downlink, uma rede Symphony Link tem mais de quatro vezes a capacidade do LoRaWAN. E quando você combina isso com qualidade de serviço, o Symphony Link é uma escolha muito mais robusta para usuários que precisam dele.

Multicast.

O Symphony Link implementa chaves de sessão multicast que permitem que grupos de dispositivos sejam endereçados. Ao agrupar logicamente os nós, você pode controlá-los da maneira que fizer sentido para o seu aplicativo. Se for o controle de iluminação, por exemplo, você pode agrupar 10 nós e enviar e receber mensagens dessa forma. Isso também permite que o Symphony Link transfira firmware pelo ar.

Sem custos associados a uma ID de rede.

Operar uma rede Symphony Link não requer um ID de rede da LoRa Alliance. O Symphony Link não interfere com o LoRaWAN e vice-versa.

Existem também outros recursos exclusivos do Symphony Link que são essenciais para um subconjunto de usuários - como a transmissão de sincronização de tempo, que permite que os dispositivos finais sincronizem com o relógio em tempo real do gateway e a marcação de tempo dos dados na borda. Para saber mais sobre isso, consulte a seção de casos de uso do Symphony Link abaixo.

Descrição do protocolo de link Symphony

Digamos que acabamos de ligar nosso gateway Symphony Link. A primeira coisa que ele faz é varrer a banda e criar um perfil de interferência. (Observe que é assim que o sistema opera em 900 MHz. Para 868, a operação é um pouco diferente, já que o canal do beacon é fixo, mas usa um esquema TDMA.)

Depois que a varredura de interferência é concluída, o gateway seleciona um canal de 500 kHz para seu downlink (125 kHz para a Europa) e escuta esse canal para se certificar de que não há tráfego LoRa fraco, o que indicaria outro gateway Symphony Link mais longe escolheu esse mesmo canal. Observe também que este é o modo de seleção automática de canal; o usuário também pode definir o canal manualmente por meio da interface do gerenciador de rede de nosso software de gerenciamento de rede.





Portanto, esse canal é escolhido e o sistema começa a transmitir a cada dois segundos. Essa mensagem pode ser chamada de beacon ou cabeçalho de quadro. Este cabeçalho de quadro contém vários bits importantes de informação.

Primeiro, esta mensagem é criptografada com o ID da rede. Isso é o que permite a um cliente tornar sua rede “privada” e inutilizável por outros usuários do Symphony Link. Este é um dos dois parâmetros configurados no dispositivo final, o outro sendo o Token de Aplicativo, que é o que identifica o fluxo de dados do dispositivo.

A segunda informação é o limite de tempo de uplink / downlink. Isso informa aos nós que estão acordados durante esse quadro quando o gateway terá concluído a transmissão. Visto que LoRa é uma tecnologia half-duplex, é importante evitar colisões para cima / para baixo, que são muito comuns em LoRaWAN. (Um gateway LoRaWAN deve responder à solicitação de um nó de confirmação ou downlink dentro de um período de tempo fixo. Qualquer mensagem LoRaWAN enviada durante esse tempo não será recebida pelo gateway. Solicitar mais confirmações em LoRaWAN apenas agrava o problema exponencialmente.)

Uma terceira informação são as frequências do canal de uplink do próximo quadro de uplink. Como o Symphony Link utiliza um método de uplink de “salto de bloco”, em que o banco de receptores salta em cada quadro, os nós precisam ser informados onde esses canais estão. É também assim que o Symphony Link pode ter muito mais redes no ar em um determinado momento, sem interferência. Além disso, como o gateway informa aos nós quais canais estão disponíveis, o Symphony Link pode ter um gateway de 1 canal, 8 canais ou 64 canais - o endnode não se importa. Um repetidor ou gateway de canal único barato pode trazer os mesmos recursos para a rede que um gateway maior, com a única diferença sendo a capacidade de uplink. Além disso, há o benefício adicional de o endnode ser capaz de detectar a presença de uma rede passivamente, mesmo em 868 e 915. Um endnode LoRaWAN precisa transmitir às cegas para ver se alguma rede responde para saber se há uma rede lá ou não; isso pode queimar muita energia.

O gateway também envia um nível de qualidade de serviço para aquele quadro, de forma que, se a rede estiver congestionada, nós menos importantes podem esperar antes de transmitir.

Finalmente, o gateway transmite o pacote de confirmação compactado, que contém uma confirmação para todas as mensagens no quadro anterior. No LoRaWAN, os reconhecimentos que acontecem são sempre um para um, e quando você adiciona o preâmbulo LoRa a essas mensagens, eles consomem uma enorme largura de banda. Ao comprimir os ACKs em uma mensagem, economizamos um tempo significativo no ar no LoRaWAN.

Há informações adicionais de que os nós precisam para fazer transações com a rede, que estão contidas na mensagem do bloco de informações e são transmitidas pelo gateway a cada oito quadros. As informações sobre os limites regulamentares de potência e a potência de transmissão do gateway são importantes para os nós, pois eles calculam sua potência e fator de difusão para cada transmissão. Se uma rede precisa trocar confiabilidade por capacidade, o bloco de informações também pode dizer aos nós para aplicar margem de sinal adicional ao seu cálculo de potência adaptável e taxa de dados. A versão do software do gateway também é transmitida para evitar uma incompatibilidade de recursos entre o nó final e o gateway. A mensagem de bloqueio de informações também pode ativar ou desativar o modo de ouvir antes de falar nos nós, o que é necessário apenas para operação na Europa e no Japão. Além disso, o bloco de informações informa aos nós se ele está ou não conectado à nuvem de gerenciamento de rede e, portanto, se o servidor PKI pode ser usado para a fonte de chave pública e se o nó precisa se registrar antes de entrar na rede. Isso permite que algumas redes operem completamente desconectadas da Internet.

Digamos que um nó deseja transmitir uma carga útil de uplink para o gateway. Por ser uma rede de baixo consumo de energia, ela ficou completamente inativa e inativa por algum tempo. Ele vai acordar e sintonizar seu receptor na frequência em que ouviu o gateway pela última vez. Ele assume algum desvio de cristal do pior caso e, portanto, começa a escutar alguns milissegundos antes do início do preâmbulo do cabeçalho do quadro de gateway.

Em seguida, ele deve detectar e processar a mensagem de cabeçalho do quadro. Ele aprende quando a janela de uplink é iniciada e quais frequências estão disponíveis.

Em seguida, ele dorme pelo resto do período de downlink, a menos que seja um nó “downlink sempre ativo”, que explicarei em breve.

Depois que a parte do downlink do quadro termina, ele se sintoniza em uma frequência aleatória do conjunto que o gateway acabou de anunciar. Dentro do quadro restante, há uma série de slots de tempo, cada um com 10 bytes de comprimento de carga útil da mensagem, mais um período de ouvir antes de falar.

O nó neste ponto calcula a potência e o fator de propagação necessários para fechar o link de volta ao gateway. Digamos que o sinal seja relativamente forte, então ele escolhe o fator de espalhamento 7 e a potência de transmissão de 0 dBm.

Este nó tem uma mensagem de 37 bytes para transmitir, portanto, precisará de 4 slots de sub-quadro.

Agora, a qualidade de serviço do nó desempenha um papel importante neste ponto. Assumindo que o gateway não está suprimindo nós com esse QOS, o QOS é o que dita a porcentagem de intervalos de tempo que um nó pode ocupar. Um serviço de alta qualidade escolherá 4 slots de subquadro a cada vez.

No QOS mais baixo, um nó só tem permissão para usar um slot de subquadro em cada quadro, então seriam necessários 4 quadros para obter 37 bytes para fora da porta.

Mas, vamos supor que o QOS esteja no meio, como 8, no intervalo de QOS de 0-15. Portanto, ele escolhe 4 slots.

Em seguida, ele volta a hibernar e desperta no quadro seguinte ao próximo para receber a confirmação. Se houvesse uma colisão com um dos 4 subpacotes, então apenas 3 seriam ACK’d e o nó retransmitiria o subpacote ausente naquele quadro.

Como o Symphony Link MTU ou o comprimento máximo da carga útil de transmissão é de 256 bytes, podem ser necessários até 26 slots para fazer o uplink de uma mensagem grande. O bom é que todos os slots perdidos serão reenviados automaticamente pelo módulo. No LoRaWAN, se você quiser enviar mais de cerca de 12 bytes, terá que lidar com novas tentativas e empacotamento na camada de aplicativo. Pense em como isso seria difícil de implementar em mais do que alguns nós.

Um repetidor no Symphony Link funciona ajustando um beacon, downlink, uplink e mensagem de transferência, tudo dentro da parte do uplink de um quadro Symphony normal. Isso ocorre porque a taxa de modulação ou fator de espalhamento dos repetidores é 2x mais rápido do que o gateway. Isso abre mão de 3 dB do link, mas não é realmente perceptível para repetidores, que podem adicionar grande cobertura à rede. Embora os repetidores tenham muito menos capacidade do que o gateway, um único gateway pode hospedar dezenas de repetidores. Esta é uma ótima arquitetura para cobrir grandes áreas de maneira econômica.

Esses são apenas os princípios básicos de como o Symphony Link funciona. Existem muitos outros recursos, como transferências de firmware, multicast e trocas de chaves, mas os dados acima devem lhe dar uma boa idéia da arquitetura básica do sistema.

Casos de uso do Symphony Link

Os clientes do Link Labs estão usando o Symphony Link em uma variedade de ambientes corporativos e industriais. Uma amostra de alguns casos de uso atuais inclui:

• Rastreamento de ativos GPS de carrinhos de golfe em um campo de golfe. As soluções de celular funcionam bem nesses casos, mas têm uma alta cobrança mensal recorrente. Nesse caso de uso, a taxa de dados adaptável em tempo real é importante porque, conforme um carrinho de golfe está passando, o canal muda drasticamente. Para funcionar bem, o dispositivo de rastreamento precisa ser capaz de atualizar o nível de potência e a taxa de modulação do fator de espalhamento em tempo real conforme o canal aumenta e diminui gradualmente.
• Resposta à demanda em habitações públicas. Os aquecedores de água quente podem ser adaptados com controladores DR que são controlados a partir do sistema Symphony Link. Aquecedores de água enviam informações de uso em tempo real para o gateway; quando um sinal de resposta de demanda atinge o gateway da Internet, ele pode desligar alguns ou um subconjunto desses aquecedores de água quente em menos de dois segundos.
• Monitoramento de energia de prédios comerciais. Um módulo Link Labs é conectado a um sensor de contagem de pulso que entra em painéis de circuito em grandes edifícios. Com um ponto de acesso em um edifício, você pode conectar dezenas a centenas de painéis de subserviço em todo o edifício para monitorar o consumo elétrico.

Além disso, Symphony Link é a única tecnologia LPWAN que funciona em casos de uso como estes:

• Controle de bloqueio
• Resposta à demanda
• Sistemas de controle industrial
• Controle de iluminação
• Sistemas de alarme
• Segurança física

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