O Protocolo LoRa®

O que é o LoRa®?

É uma plataforma wireless de longo alcance e de baixa potência que está sendo utilizada como uma opção predominante para a construção de redes IoT em todo o mundo.

A IoT melhora a maneira como interagimos e lidamos com alguns dos maiores desafios enfrentados pelas cidades e comunidades como: mudanças climáticas, controle da poluição, alerta precoce de desastres naturais e salvamento de vidas, entre diversas outras aplicações. As empresas também estão se beneficiando por meio de melhorias nas operações e eficiências, bem como por meio de redução de custos.

Esta tecnologia de RF sem fio está sendo integrada em carros, iluminação de ruas, equipamentos de fabricação, eletrodomésticos, dispositivos portáteis, para falar a verdade, qualquer coisa pode servir de inspiração tecnológica e a LoRa Technology está tornando o nosso mundo muito mais inteligente.

A figura 1 apresenta a pilha de protocolo do LoRa que tem, na camada física, a banda de ISM e uma camada de enlace chamada de LoRaWAN MAC.

 

Figura 1 – Pilha do Protocolo Lora

 

Normalmente, as redes LoRaWAN são dispostas em uma topologia tipo estrela-de-estrelas na qual os gateways retransmitem mensagens entre os dispositivos finais e um servidor de rede central, e o servidor de rede roteia os pacotes de cada dispositivo da rede para o servidor de aplicação associado.

Para proteger as transmissões de rádio, o protocolo LoRaWAN conta com criptografia simétrica usando chaves de sessão derivadas das chaves raiz do dispositivo e, no back-end, o armazenamento das chaves-raiz do dispositivo e as operações de derivação de chave associadas são seguradas por um servidor de associação, conforme apresentado na figura 2.

 

Figura 2 – Diagrama de Interconexão dos Elementos de Rede

 

Protocolo LoRaWAN

LoRaWAN é a especificação de um protocolo construído sobre a tecnologia LoRa e desenvolvido pela LoRa Alliance. Utiliza o espectro de rádio não licenciado nas bandas Industrial, Científica e Médica (ISM) para permitir a comunicação de área ampla e baixa energia entre sensores remotos e gateways conectados à rede. Essa abordagem baseada em padrões para a criação de um LPWAN permite a rápida configuração de redes de IoT públicas ou privadas em qualquer lugar usando hardware e software bi-direcionalmente seguros, interoperáveis e móveis, fornecendo uma localização precisa com um funcionamento com o mínimo de erros de transmissão. A especificação, para aqueles mais vorazes por tecnologia, está totalmente disponível gratuitamente para download no site da LoRa Alliance.

Principais recursos da tecnologia LoRa e do protocolo LoRaWAN:

  • GEOLOCALIZAÇÃO
    • Permite aplicações de rastreamento de baixa potência sem GPS.
  • BAIXO CUSTO
    • Reduz custos de três maneiras: investimento em infraestrutura, despesas operacionais e sensores de nós finais.
  • PADRONIZADO
    • Interoperabilidade global aprimorada acelera a adoção e implantação de redes baseadas em LoRaWAN e aplicativos IoT.
  • BAIXA POTÊNCIA
    • Protocolo projetado especificamente para baixo consumo de energia, prolongando a vida útil da bateria em até 20 anos.
  • LONGO ALCANCE
    • Estação base única oferece penetração profunda em regiões densas urbanas/internas, além de conectar áreas rurais em até 50 quilômetros de distância.
  • SEGURO
    • Encriptação AES128 end-to-end integrada.
  • ALTA CAPACIDADE
    • Suporta milhões de mensagens por estação base, ou seja, ideal para operadores de redes públicas que atendem a muitos clientes.

Esta especificação trata o servidor da rede e o servidor de aplicação como se estivessem sempre co-localizados. Hospedar essas funcionalidades em vários nós de rede separados está fora do escopo desta especificação, mas é coberto por [BACKEND].

Os gateways são conectados ao servidor de rede por meio de conexões IP padrão seguras, enquanto os dispositivos finais usam a comunicação LoRa® ou FSK de salto único para um ou vários gateways. Toda comunicação é geralmente bidirecional, embora se espere que a comunicação de uplink de um dispositivo final para o servidor de rede seja o tráfego predominante. A comunicação entre dispositivos finais e gateways está espalhada em diferentes canais de frequência e taxas de dados e a seleção da taxa de dados é um trade-off entre a faixa de comunicação e a duração da mensagem, uma vez que as comunicações com diferentes taxas de dados não interferem entre si.

As taxas de dados do LoRa variam de 0,3 kbps a 50 kbps para maximizar a vida útil da bateria dos dispositivos finais e da capacidade geral da rede, uma vez que a infraestrutura de rede LoRa pode gerenciar a taxa de dados e a saída de RF para cada dispositivo final individualmente por meio de um esquema de taxa de dados adaptável (ADR). Os dispositivos finais podem transmitir em qualquer canal disponível a qualquer momento, usando qualquer taxa de dados disponível, desde que as seguintes regras sejam respeitadas:

  • O dispositivo final muda de canal de maneira pseudo-aleatória para cada transmissão. A diversidade de frequência resultante torna o sistema mais robusto a interferências.
  • O dispositivo final respeita o ciclo máximo de transmissão em relação à sub-banda usada e aos regulamentos locais.
  • O dispositivo final respeita a duração máxima de transmissão (ou tempo de permanência) em relação à sub-banda usada e aos regulamentos locais.

Nota: O ciclo máximo de transmissão e o tempo de permanência por sub-banda são específicos da região e são definidos em [PHY].

O protocolo LoRa ainda divide os dispositivos em 3 classes:

I. Dispositivos finais bidirecionais (Classe A)

Os dispositivos da Classe A permitem comunicações bidirecionais, em que a transmissão de uplink de cada dispositivo final é seguida por duas janelas curtas de recebimento de downlink. O slot de transmissão programado pelo dispositivo final é baseado em suas próprias necessidades de comunicação com uma pequena variação e baseada em uma base de tempo aleatório (tipo de protocolo ALOHA – precursor do Ethernet). Essa operação de Classe A é o sistema de dispositivo final com menor consumo de energia para aplicativos que exigem apenas comunicação de downlink do servidor logo após o dispositivo final ter enviado uma transmissão de uplink. Comunicações de downlink do servidor em qualquer outro momento terão que esperar até o próximo uplink agendado.

II. Dispositivos finais bidirecionais com slots de recepção programados (Classe B)

Os dispositivos da Classe B permitem mais slots de recepção, além das janelas de recebimento aleatório de Classe A, ou seja, os dispositivos de Classe B abrem janelas de recebimento extra em horários programados. Para que o dispositivo final abra sua janela de recebimento no horário agendado, ele recebe um sinalizador sincronizado de hora do gateway.

III. Dispositivos finais bidirecionais com slots de recepção máximos (Classe C)

Os dispositivos finais da Classe C têm quase continuamente abertas as janelas de recepção, fechadas somente durante a transmissão. O dispositivo Classe C usará mais energia para operar do que a Classe A ou Classe B, mas ele oferece a menor latência para a comunicação do servidor com o dispositivo final.

Conclusão:

A tecnologia LoRa oferece uma combinação muito atraente de longo alcance, baixo consumo de energia e transmissão segura de dados, uma vez que as redes públicas e privadas que usam essa tecnologia podem oferecer uma cobertura com alcance maior em comparação com as redes celulares existentes. É fácil conectar-se à infraestrutura existente e oferece uma solução para atender a aplicativos IoT operados por bateria, onde os chipsets são  incorporados aos produtos oferecidos por uma vasta quantidade de fabricantes que já utilizam este protocolo para redes de sensores no mundo da Internet das Coisas (IoT) e integrados aos LPWANs de operadoras de redes móveis em todo o mundo.

O futuro já está batendo na nossa porta.

 

Bibliografia

https://lora-alliance.org/

https://www.semtech.com/technology/lora/what-is-lora

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