Introdução:
Os dispositivos LoRa e a tecnologia de radiofrequência sem fios constituem uma solução de IoT de longo alcance e baixo consumo energético que tem vindo a ser amplamente adotada nos últimos anos. Esta tecnologia permite que as empresas de telecomunicações, os programadores de aplicações de IoT e os integradores de sistemas implementem dispositivos de baixo custo e interoperáveis em todo o mundo. Redes de IoT, gateways, sensores, módulos e serviços de IoT fornecem o conjunto de funcionalidades necessário. Este artigo parte dos princípios da tecnologia LoRa, descreve o conceito técnico e resume as suas características técnicas, além de apresentar os métodos de aplicação atuais da tecnologia LoRa em diversos domínios, bem como o processo de desenvolvimento desta tecnologia, tanto a nível nacional como internacional, nos últimos anos.
Português:
Os dispositivos LoRa e a tecnologia de radiofrequência são soluções de longo alcance e baixo consumo energético para a Internet das Coisas (“IoT”) que têm vindo a ser amplamente adotadas nos últimos anos. Esta tecnologia permite que as empresas de telecomunicações, os desenvolvedores de aplicações de IoT e os integradores de sistemas implementem redes de IoT, gateways, sensores, módulos e serviços de IoT de baixo custo e interoperáveis a nível global, bem como forneçam a combinação necessária de funcionalidades. Este artigo começa por abordar os princípios da tecnologia LoRa, descreve os conceitos técnicos e resume as suas características técnicas, apresentando ainda a aplicação da tecnologia LoRa em diversos domínios na fase atual, bem como o processo de desenvolvimento desta tecnologia na China e no estrangeiro nos últimos anos.
Princípio da tecnologia LoRa
1.1 Conceito técnico do LoRa
Existem muitas tecnologias sem fios nas aplicações da Internet das Coisas (IoT), que podem ser divididas em duas categorias em termos de distância de transmissão. Uma é a tecnologia de comunicação de curta distância, incluindo ZigBee, Wi-Fi, Bluetooth, etc.; a outra é a tecnologia de comunicação sem fios de longo alcance, incluindo as Redes Sem Fios de Área Alargada (WWAN) e as Redes de Baixo Consumo de Área Alargada (LPWAN), etc. A tecnologia de redes de baixo consumo de área alargada tem sido, nos últimos anos, uma tecnologia revolucionária de acesso à Internet das Coisas a nível mundial, e a LoRa pertence a este campo tecnológico.
A LoRa baseia-se na modulação de espectro alargado por modulação linear de frequência, que mantém as mesmas características de baixo consumo energético da modulação FSK e aumenta significativamente a distância de comunicação. Altera as anteriores considerações de compromisso entre distância de transmissão e consumo de energia, proporcionando aos utilizadores uma forma simples de obter sistemas de longa distância, com longa autonomia da bateria e de alta capacidade, para expandir as redes de sensores. O LoRa opera principalmente em bandas de frequência livres em todo o mundo (ou seja, bandas de frequência não sujeitas a licença), incluindo 433, 868, 915 MHz, etc. A rede LoRa é composta principalmente por terminais (módulos LoRa integrados), gateways (ou estações base), servidores de aplicações e armazenamento na nuvem. Os dados das aplicações podem ser transmitidos em ambas as direções.
O LoRaWAN (LoRa Wide-Area Networks) define o protocolo de comunicação e a arquitetura do sistema, estabelece as especificações padrão de ponta a ponta para a utilização da tecnologia LoRa, incluindo a segurança no mercado da IoT, a eficiência energética, o roaming e a integração da configuração (on-boarding), etc., e constitui o conjunto de normas da LoRa Alliance para os seus membros.
1.2 Características técnicas do LoRa
(1) Grande alcance de comunicação A vantagem do LoRa reside na capacidade de comunicação a longa distância desta tecnologia. Baseia-se na modulação de espectro alargado por modulação de frequência linear. Mantém as mesmas características de baixo consumo de energia que a modulação FSK, mas aumenta significativamente a distância de comunicação, que pode atingir um orçamento de ligação de 157 dB, permitindo distâncias de comunicação até 15 km, e um único gateway ou estação base pode cobrir centenas de quilómetros quadrados (a cobertura depende em grande parte do ambiente circundante ou de obstáculos). A rede da Proximus implantada na Bélgica cobre a maior parte do país com apenas uma quantidade mínima de infraestruturas.
(2) Baixo consumo de energia/longa autonomia da bateria. O LoRa é uma das tecnologias de comunicação de rede de área alargada de baixa potência. Trata-se de uma camada física ou modulação sem fios utilizada para estabelecer ligações de comunicação de longa distância. A sua corrente de receção é de apenas 10 mA e a corrente em modo de suspensão é de 200 nA, o que prolonga significativamente a autonomia da bateria. Muitos sistemas sem fios mais antigos utilizam a modulação por desvio de frequência (FSK) como camada física, uma vez que se trata de uma modulação muito eficiente que permite um baixo consumo de energia. Os nós numa rede LoRaWAN são assíncronos e comunicam quando os dados estão prontos para serem enviados, quer seja por evento ou de forma programada. Numa investigação recente da GSMA e na comparação de várias tecnologias no domínio das LPWAN, a LoRaWAN demonstrou uma vantagem de 3 a 5 vezes no desempenho em termos de consumo de energia, em comparação com todas as outras opções tecnológicas.
(3) A própria tecnologia LoRa, com forte resistência à interferência, possui uma sensibilidade de receção ultra-elevada (RSSI) e uma relação sinal-ruído (SNR) ultra-forte. Utiliza a tecnologia de salto de frequência e realiza a modulação por desvio de frequência através de sequências de códigos pseudo-aleatórios, para fazer com que a frequência portadora salte continuamente. Altera e espalha o espectro para evitar interferências de frequência fixa. Os terminais com sequências de espalhamento diferentes não interferem entre si, mesmo que utilizem a mesma frequência para transmitir ao mesmo tempo. Por conseguinte, o concentrador/gateway desenvolvido com base nisto pode receber e processar dados de vários nós em paralelo, expandindo significativamente a capacidade do sistema.
capacidade.
(4) Elevada capacidade de rede. Para tornar possível a rede em estrela remota, o gateway deve ter uma capacidade muito elevada, ou seja, a capacidade de receber mensagens de um grande número de nós. Uma estação base de grande capacidade baseada em LoRa pode suportar milhões de mensagens por dia, e uma única estação base pode suportar milhares de dispositivos. A elevada capacidade de rede nas redes LoRaWAN é alcançada no gateway através do recurso a taxas de dados adaptativas e da utilização de transceptores multicanal e multimódem para receber mensagens em vários canais simultaneamente.
(5) As faixas de frequência de baixo custo e isentas de licença, os baixos custos de infraestrutura e os baixos custos dos nós/terminais fazem com que os custos de ligação do LoRa e do LoRaWAN sejam inferiores aos de qualquer outra tecnologia de comunicação normalizada. O espectro de espalhamento linear tem sido utilizado nas comunicações militares e espaciais há décadas, uma vez que permite longos alcances de comunicação e resistência à interferência, sendo o LoRa a primeira implementação de baixo custo para uso comercial.
(6) Elevada segurança de rede. A segurança é extremamente importante para qualquer LPWAN. A LoRaWAN consegue proteger muito bem os dados e a privacidade. É a solução mais segura do mercado no domínio das LPWAN. Criptografia AES-128. Todos os dados, desde os sensores até aos servidores de aplicações e ao backend, são encriptados em vários níveis. A LoRaWAN utiliza duas camadas de segurança: uma para a rede e outra para a aplicação. A segurança da rede garante a autenticidade dos nós na rede, enquanto a camada de aplicação segura garante que os operadores de rede não possam aceder aos dados das aplicações dos utilizadores finais. A encriptação AES é utilizada com troca de chaves através do identificador IEEE EUI64.
(7) O ecossistema técnico foi melhorado. A LoRaWAN apresenta vários modelos de negócio, uma concorrência razoável, um ecossistema diversificado e líderes do setor, o que promove significativamente a sua expansão e rápida implementação. Ao mesmo tempo, a utilização de normas abertas e de tecnologia proprietária pela LoRa constitui também uma garantia para o seu reconhecimento e implantação generalizada. A seleção de vários componentes de rede, gateways, dispositivos finais, servidores de rede na nuvem e chips, kits de desenvolvimento e produtos finais provém de muitos fornecedores diferentes, de modo a oferecer soluções distintas para operadores ou utilizadores finais.
Palavras-chave: lora
