No caso das redes de área alargada de baixa potência (LPWAN), que operam no espectro isento de licença, uma das principais vantagens é o baixo custo da rede. No entanto, devido ao crescimento exponencial dos dispositivos IoT, os recursos de rádio limitados e partilhados estão a ficar cada vez mais sobrecarregados. Para melhorar a qualidade do serviço (QoS) e a escalabilidade da rede, garantir a imunidade à interferência nas LPWAN constitui uma tarefa fundamental.
Compreender a interferência no espectro não licenciado
A interferência ocorre quando dois sinais de rádio entram em conflito desnecessariamente na mesma frequência, o que resulta na perda de dados. A interferência nas redes LPWAN isentas de licença divide-se em duas grandes categorias:
1. A interferência intra-sistema, ou autointerferência, refere-se à interferência causada por dispositivos que operam na mesma rede, como na rede MIOTY ou na rede LoRa. A autointerferência deve-se principalmente à comunicação assíncrona que utiliza o esquema ALOHA em muitos sistemas LPWAN. Embora o consumo de energia seja significativamente reduzido, as redes baseadas exclusivamente no esquema ALOHA produzem uma autointerferência significativa devido à transmissão aleatória e descoordenada de dados entre os dispositivos finais.
2. A interferência entre sistemas refere-se à interferência causada por sinais de rádio provenientes de outros sistemas. Uma vez que o espectro isento de licença está disponível para todos, várias tecnologias coexistem e acedem aos mesmos recursos de frequência. Por exemplo, a maioria das tecnologias LPWAN, incluindo MIOTY, LoRa e Sigfox, utiliza normalmente bandas de rádio industriais, científicas e médicas (ISM) na faixa sub-gigahertz. Da mesma forma, a Ingenu, outra empresa do setor LPWAN, partilha a concorrida banda de 2,4 GHz com o Wi-Fi, o Bluetooth, o Zigbee e outras tecnologias.
As interferências intra e inter-sistemas podem prejudicar o desempenho da rede e limitar a escalabilidade.
Métodos técnicos anti-interferência para LPWAN
Entre estes desafios, a conceção de um sistema robusto é fundamental para garantir uma elevada imunidade à interferência nas redes LPWAN. A seguir, descrevemos quatro abordagens técnicas para controlar e mitigar a interferência intra e inter-sistemas.
1. Aproveitamento de largura de banda (ultra)estreita
Em comparação com as abordagens de banda larga baseadas no espectro alargado, as tecnologias de banda (ultra)estreita atenuam os problemas de interferência intra-sistema. Cada mensagem de banda estreita utiliza uma largura de banda muito reduzida, o que resulta numa elevada eficiência espectral. Consequentemente, é possível colocar mais mensagens numa banda de frequência designada sem que se sobreponham, permitindo que mais dispositivos funcionem de forma eficiente ao mesmo tempo sem interferirem uns com os outros. Isto aumenta a capacidade global da rede e a escalabilidade do sistema. A utilização mínima da largura de banda também reduz o nível de ruído de cada sinal.
Pense nas mensagens de banda estreita como uma mota e nas mensagens de banda larga como um camião. Podemos transportar muito mais motas do que camiões na autoestrada sem causar um acidente.
2. Reduzir o tempo de transmissão
Em muitos sistemas LPWAN, o tempo de transmissão do sinal, ou tempo de difusão, pode chegar aos 2 segundos. Isto é problemático porque, quanto mais tempo uma mensagem demora a ser “difundida”, maior é a probabilidade de entrar em conflito com outra mensagem enviada ao mesmo tempo, o que pode resultar na perda de dados. Tempos de transmissão mais longos também aumentam as probabilidades de ataques maliciosos e sofisticados, tais como o bloqueio seletivo.
3. Salto de frequência
O salto de frequência aumenta a resistência à interferência entre sistemas, alternando rapidamente as mensagens entre diferentes canais durante a transmissão. A variação constante da frequência ajuda a evitar o congestionamento dos canais e torna os sinais difíceis de interceptar. A desvantagem é que o salto de frequência é muito ineficiente do ponto de vista espectral, uma vez que requer a utilização de uma largura de banda maior. Os sinais de banda larga transmitidos a baixas velocidades podem facilmente sobrepor-se, causando autointerferência e perda de dados.
4. Correção de erros avançada (FEC)
A aplicação de codificação de canal ou correção de erros antecipada permite a deteção e correção de erros de transmissão decorrentes de ruído, interferência e atenuacão. Em canais pouco fiáveis ou com ruído, a FEC ajuda a reduzir a taxa de erros de bits dos sinais digitais, melhora a fiabilidade da transmissão do sinal e evita retransmissões de dados dispendiosas.
Até à data, nenhum sistema LPWAN tradicional conseguiu integrar com sucesso todas estas abordagens na conceção do seu sistema. A LPWAN que utiliza uma abordagem de banda (ultra)estreita oferece elevada eficiência espectral, mas sofre de tempos de transmissão prolongados devido às taxas de dados muito lentas. Os sistemas de espectro espalhado tiram partido do salto de frequência, mas sofrem de problemas de autointerferência e escalabilidade devido à ampla largura de banda utilizada.
A divisão de telegramas combina as vantagens dos 4 métodos acima referidos num único sistema, dividindo as mensagens de banda ultraestreita em vários subpacotes mais pequenos e distribuindo-os num padrão pseudoaleatório de tempo e frequência. Devido ao seu tamanho muito mais reduzido, cada subpacote tem um tempo de transmissão extremamente curto, de apenas 15 milissegundos. Por conseguinte, a probabilidade de conflitos com outros sinais inter e intra-sistema é significativamente reduzida. Além disso, a correção de erros avançada (FEC) integrada permite a recuperação bem-sucedida da mensagem, mesmo que se percam até 50% de subpacotes durante o processo.
À medida que a densidade de dispositivos e o tráfego de comunicações continuam a crescer na era da IoT, as capacidades anti-interferência nas redes de área alargada de baixa potência continuarão a ser uma prioridade máxima. Além disso, é importante optar por tecnologias robustas sem comprometer o custo e a eficiência energética.
Palavras-chave: tecnologia de comunicação Lora
