Introdução
LoRaWAN A tecnologia (Long Range Wide Area Network) revolucionou o cenário da Internet das Coisas (IoT), proporcionando um meio de conectar dispositivos a longas distâncias sem a necessidade de alto consumo de energia. Essa inovação revolucionária impulsionou avanços em diversos setores, como cidades inteligentes, agricultura, gestão da cadeia de suprimentos e monitoramento ambiental.
Entender como os fatores influenciam o alcance da LoRaWAN é essencial para o planejamento, expansão e otimização de desempenho da rede, tornando-se um tópico de substancial interesse técnico e comercial.
A capacidade de maximizar o alcance das redes LoRaWAN permite a implantação de redes de sensores sem fio em vastas extensões geográficas, um feito que antes era financeiramente e logisticamente proibitivo. No entanto, alcançar essa cobertura estendida não é isento de desafios. O alcance de uma rede LoRaWAN está sujeito a múltiplas influências que derivam de especificações técnicas, condições ambientais, limites regulatórios e das características inerentes à propagação de radiofrequência.
Este artigo tem como objetivo aprofundar-se na miríade de fatores que afetam o alcance das redes LoRaWAN. Explorará os fundamentos técnicos do protocolo, a interação de diferentes parâmetros ambientais, a importância da topologia da rede e as restrições impostas pela adesão a estruturas regulatórias. Por meio dessa análise completa, equiparemos os leitores com uma compreensão abrangente dos determinantes do alcance da LoRaWAN, reforçada por estudos de caso e aplicações do mundo real.
Compreendendo LoRaWAN
Antes de nos aprofundarmos nos diversos fatores que influenciam o alcance de uma rede LoRaWAN, é essencial entender as características fundamentais dessa tecnologia e os princípios por trás de sua operação. A LoRaWAN está na intersecção de dois componentes principais: LoRa, a camada física ou a técnica de modulação que codifica dados em ondas de rádio, e LoRaWAN, o protocolo de rede que define a arquitetura do sistema e os protocolos de comunicação.
- LoRa: A Camada Física
LoRa deriva de "Long Range" e é uma técnica de modulação de espectro espalhado que emprega a tecnologia Chirp Spread Spectrum (CSS). Este método é conhecido por manter a comunicação em grandes distâncias, alcançando alcances que podem se estender por vários quilômetros em áreas rurais abertas. Um dos principais benefícios da modulação LoRa é sua resiliência à interferência de sinal e seu baixo consumo de energia, permitindo que dispositivos alimentados por bateria funcionem por anos sem recarga. - LoRaWAN: O Protocolo de Rede
O LoRaWAN define o protocolo de comunicação e a arquitetura do sistema para a rede, utilizando a camada física LoRa. É um protocolo de camada de controle de acesso à mídia (MAC) que mantém a integridade e a segurança da rede. O LoRaWAN permite a comunicação bidirecional, um recurso crucial para dispositivos de IoT que precisam enviar dados (como leituras de sensores) e receber comandos (como mensagens de controle de atuadores).
Como funciona o LoRaWAN
- A LoRaWAN permite que dispositivos se comuniquem com aplicativos conectados à Internet por meio de conexões sem fio de longo alcance. A arquitetura de rede é normalmente estruturada em uma topologia em estrela, onde os dispositivos finais usam comunicação sem fio de salto único para um ou mais dispositivos. Gateways LoRaWAN, todos conectados a um servidor de rede central.
- A tecnologia opera na banda ISM (Industrial, Científica e Médica) não licenciada, que varia de acordo com a região (por exemplo, 868 MHz na Europa, 915 MHz na América do Norte). As redes LoRaWAN podem processar milhões de mensagens por dia, o que as torna escaláveis e versáteis para diversas aplicações.
Critérios para descrever uma rede em tecnologia de rádio
Existem basicamente três características que podem ser usadas para descrever uma rede em tecnologia de rádio:
- Faixa
- Velocidade de transferência de dados
- Consumo de energia
É difícil atribuir a mesma importância aos três critérios, pois as leis da física impõem limites claros a isso. Por exemplo, a LoRaWAN pode transmitir dados por longas distâncias com relativamente pouca energia, mas com taxas de dados muito baixas.
Wi-Fi e Bluetooth podem atingir altas taxas de dados, mas o consumo de energia é relativamente alto e o alcance é pequeno. Todos os usuários de smartphones estão familiarizados com essa demanda por energia. As estações rádio-base das grandes operadoras de telecomunicações oferecem altas taxas de dados e distâncias relativamente longas, mas precisam fornecer muita energia para isso. Portanto, a fonte de alimentação é um fator essencial nessas instalações.
Equilíbrio de transmissão de potência
O balanço de potência de transmissão indica a qualidade do canal de transmissão de rádio. Ele pode ser calculado somando-se a potência de transmissão, a sensibilidade do receptor, o ganho da antena e a perda de trajetória no espaço livre (FSPL).
O LoRaWAN calcula o equilíbrio de transmissão de energia.
A perda de caminho representa a energia perdida no espaço livre ao longo de uma distância entre o transmissor e o receptor. Quanto mais distante TX estiver de Rx, menor será a energia.
A perda de caminho é geralmente expressa como
Onde significa:
FSPL = Perda de caminho no espaço livre;
d = distância entre TX e Rx em metros;
f = frequência em Hertz
Há também uma fórmula logarítmica amplamente utilizada para atenuação do espaço livre:
O dobro da distância (d) significa uma perda de 6dB.
Na extremidade receptora (Rx), a sensibilidade da extremidade receptora é o fator que afeta o equilíbrio da transmissão de potência. A sensibilidade Rx descreve a potência recebida mínima possível e a tolerância ao ruído térmico:
Onde significa:
BW = largura de banda em Hz;
NF = fator de ruído em dB;
SNR = relação sinal-ruído.
Ela informa a que distância o sinal deve estar do ruído.
O Rx do dispositivo LoRa é mais sensível e, portanto, melhor que o WLAN. O caso extremo de perda de caminho sem considerar o ganho da antena e outros tipos de atenuação de espaço livre:
Um exemplo de cálculo do balanço de transmissão de energia LoRaWAN:
Potência TX = 14 dBm;
BW = 125KHz = 10log10 (125000) = 51;
NF = 6dB (os gateways em redes LoRaWAN têm valores de NF mais baixos);
SNR = -20 (para SF = 12).
A inserção desses números na Fórmula 3 resulta em uma sensibilidade Rx de -137 dBm
Sensibilidade Rx = – 174 + 51 + 6 – 20 = -137 dBm
O equilíbrio de transmissão de potência pode então ser calculado da seguinte forma usando a Fórmula:
Balanço de transmissão de potência = -137dB – 14dB = -151dB
Com os valores especificados, o balanço de transmissão de potência do alcance do LoRaWAN é de 151 dB, permitindo que ele cubra distâncias de até 800 km em condições ideais (atenuação pura do espaço livre). O alcance do LoRaWAN é de 702 km, o recorde mundial.
No Lansitec o recorde é de 20km:
- O Gateway está instalado no topo de um edifício de 30 m
- O rastreador está em um navio no mar
- Potência TX = 20dBm
Fatores técnicos que afetam o alcance do LoRaWAN
O alcance de uma rede LoRaWAN não é determinado simplesmente por um único elemento, mas sim pelo resultado cumulativo de vários componentes técnicos. Estes abrangem aspectos da potência de transmissão, sensibilidade do receptor e características da antena, que juntos moldam a capacidade fundamental de uma rede LoRaWAN de transmitir dados à distância.
A Potência de Transmissão é vital para determinar a distância que as ondas de rádio podem percorrer. Maior potência pode significar alcances maiores; no entanto, isso acarreta maior consumo de energia, afetando a vida útil da bateria do dispositivo. Além disso, limites regulatórios geralmente limitam a Potência de Transmissão máxima permitida para evitar interferência com outras tecnologias sem fio.
- Restrições regulatórias: Diferentes países e regiões possuem regulamentações específicas que regem a potência de transmissão. Por exemplo, na Europa, de acordo com as regulamentações ETSI, a potência máxima de transmissão para dispositivos LoRaWAN é normalmente limitada a 14 dBm na banda ISM de 868 MHz.
- Amplificação de potência:Alguns dispositivos LoRaWAN podem incluir amplificadores de potência para aumentar sua potência de transmissão, mas estes são limitados por limites legais e pela compensação com a duração da bateria.
Um receptor mais sensível aumenta o alcance do LoRaWAN, pois pode captar sinais mais fracos que, de outra forma, seriam perdidos devido à perda de caminho e fatores ambientais.
- Qualidade e Design de Receptores: Receptores de alta qualidade com melhores índices de ruído melhoram a sensibilidade do sistema. Isso é fundamental em cenários onde os sinais precisam ser detectados a distâncias consideráveis ou em condições desafiadoras.
- Impacto no design de rede: Implementar receptores com alta sensibilidade pode potencialmente reduzir o número de gateways necessários em uma implantação LoRaWAN, já que cada gateway pode detectar e processar sinais de dispositivos mais distantes.
Tipo e posicionamento da antena
A antena é um elemento crucial da configuração de hardware LoRaWAN. Seu design, posicionamento e ambiente ao redor podem impactar significativamente o alcance da rede.
- Ganho da Antena: O ganho de uma antena reflete sua diretividade e eficiência. Uma antena com maior ganho concentrará a energia de forma mais eficaz em uma direção específica, possivelmente aumentando o alcance. No entanto, antenas com alto ganho também podem ter larguras de feixe mais estreitas, o que pode ser uma desvantagem em alguns cenários de implantação.
- Tipo de antena: Antenas omnidirecionais irradiam energia uniformemente em todas as direções horizontais, enquanto antenas direcionais concentram a energia em uma direção específica. A escolha entre esses tipos depende da aplicação específica e da área que precisa de cobertura.
- Colocação e Ambiente: A localização da antena pode ser tão importante quanto seu design. As antenas devem ser instaladas longe de obstruções e com boa visibilidade para a área de cobertura. Prédios, vegetação e terreno podem impactar a propagação do sinal, afetando o alcance.
Fator de atenuação do espaço livre
Ao dobrar a distância, a atenuação do espaço livre LoRa aumenta em 6 dB, então a atenuação da propagação de rádio segue uma função logarítmica (veja a fórmula abaixo).
- FSPL= Perda de caminho no espaço livre;
d = distância entre TX e Rx em metros; f = frequência em Hertz
[FSPL (dB) = 20log10 (d) + 20log10 (f) -147,55].
Além da perda de energia causada pelo alcance LoRaWAN, a reflexão e a refração das ondas de rádio em objetos também podem fazer com que as ondas de rádio se sobreponham.
Fatores ambientais que impactam o alcance do LoRaWAN
O ambiente em que uma rede LoRaWAN opera desempenha um papel significativo em seu alcance efetivo. Fatores como terreno, estruturas artificiais e clima podem afetar a propagação do sinal, apresentando desafios que devem ser superados para manter o bom desempenho da rede.
- Terreno——Fator de zona de Fresnel.
- A geografia física da paisagem pode determinar significativamente a propagação das ondas de rádio. Os sinais LoRaWAN podem viajar mais longe em áreas abertas e planas do que em regiões montanhosas ou acidentadas, onde a linha de visão pode ser frequentemente obstruída.
- A zona de Fresnel é um conceito em comunicação sem fio que se refere a uma região elíptica fora da linha de visão direta entre dois dispositivos de comunicação. Essa zona é importante na comunicação sem fio, pois obstáculos dentro dela podem causar dispersão de sinal e efeitos de multipercurso, o que pode afetar a qualidade da comunicação. Portanto, no planejamento e na instalação de sistemas de comunicação sem fio, o impacto da zona de Fresnel na transmissão do sinal precisa ser considerado, e garantir espaço livre suficiente ao longo do caminho de comunicação é fundamental.
- É essencial estabelecer uma linha de visão o mais reta possível entre o transmissor e o receptor se você deseja cobrir longas distâncias com eficiência e obter um bom equilíbrio de potência na transmissão. Certas áreas de espaço entre as linhas de visão da transmissão de rádio são regiões de Fresnel. A propagação das ondas será afetada negativamente se houver objetos nessas áreas, apesar do contato visual habitual entre as antenas transmissora e receptora. Para cada objeto no cinturão de Fresnel, o nível do sinal cai e o alcance do LoRaWAN diminui (consulte Figura 3 Fator de zona de Fresnel dentro da faixa LoraWAN). Portanto, geralmente é melhor instalar um edifício LoRaWAN no topo de um edifício. Quanto mais alto, melhor.
Uma antena omnidirecional é uma tecnologia comum usada em redes de alcance LoRaWAN. Assim, a energia irradiada se difunde no plano horizontal, e os nós e gateways da rede estão localizados ali. Na Europa, a potência de transmissão na banda ISM é limitada a 14 dBm a 868 MHz. 2,15 dBi é o ganho máximo da antena.
Estruturas artificiais — fator de amortecimento estrutural e ambientes urbanos
- Em ambientes urbanos, os edifícios podem obstruir e refletir sinais de rádio, levando à atenuação (perda de sinal) e propagação de múltiplos caminhos, onde os sinais percorrem vários caminhos para chegar ao receptor, potencialmente causando interferência e reduzindo a qualidade do sinal recebido.
Coeficiente de atenuação estrutural: a atenuação estrutural, ou seja, a atenuação dos sinais de rádio ao atravessarem diferentes obstáculos, afeta a recepção dos sinais transmitidos e garante uma redução significativa no alcance do sinal. Por exemplo, a atenuação do vidro é de apenas 2 dB. Isso afeta muito menos do que uma parede de concreto com 30 centímetros de espessura. A tabela abaixo mostra os diferentes materiais e suas atenuações típicas.
|
Atenuação do material
|
dB
|
|---|---|
|
Vidro (6 mm) |
0.8 |
Condições climáticas e atmosféricas
- Condições climáticas como chuva, neblina e umidade podem absorver ou dispersar ondas de rádio, levando a perdas adicionais de sinal. Embora o LoRa seja mais resistente a esses efeitos em comparação com tecnologias de frequência mais alta, eventos climáticos significativos ainda podem diminuir a intensidade do sinal e, consequentemente, o alcance da rede.
- Esses fatores ambientais ressaltam a necessidade de levantamentos abrangentes do local e planejamento de rede para garantir conectividade confiável em diferentes cenários de implantação. É importante considerar as potenciais implicações de alcance ao instalar a infraestrutura LoRaWAN e adaptar o projeto da rede para mitigar os impactos ambientais.
Configuração de rede e fatores que afetam o alcance do LoRaWAN
As escolhas de design e configuração de rede influenciam diretamente a extensão operacional de uma rede LoRaWAN. Essas escolhas dependem de fatores de dispersão, configurações de largura de banda, taxas de codificação e como a rede lida com a interferência de sinal.
- Fator de Espalhamento (FS)
O Fator de Espalhamento em LoRaWAN modula o número de chirps por bit de dados transmitidos. É um parâmetro crítico que equilibra a taxa de dados e o alcance. Fatores de espalhamento mais altos resultam em taxas de dados mais baixas, mas permitem um alcance maior, pois o sinal pode ser detectado em distâncias maiores com uma relação sinal-ruído menor.
- Em redes LoRaWAN, a configuração específica da taxa de transferência de dados utiliza Fatores de Espalhamento (SF). A rede LoRaWAN utiliza SF7 a SF12. Devido à sua modulação de espectro espalhado por chirp e às diferentes frequências de deslocamento de fase utilizadas no chirp, a rede LoRaWAN é insensível a interferências, propagação multipercurso e desvanecimento. Em redes de alcance LoRaWAN, o lado TX utiliza chirp para codificar dados, enquanto o lado Rx utiliza chirp inverso para decodificar sinais. Quantos chirps são utilizados por segundo, a definição da taxa de bits, a quantidade de energia irradiada por cada símbolo e o alcance LoRaWAN que pode ser alcançado foram representados acima. Por exemplo, a taxa de bits de SF9 é 1/4 de SF7, o que a escalabilidade de LoRaWAN pode atingir. Quanto mais lenta a taxa de bits, maior a energia e maior o tempo de transmissão, e maior o alcance de cada conjunto de dados.
|
Fator de espalhamento
|
Fichas/símbolo
|
Limite SNR
|
Tempo no ar (pacote de 10 bytes)
|
Taxa de bits
|
|---|---|---|---|---|
|
7 |
128 |
-7.5 |
56 ms |
5469 bps |
- Ao usar um SF mais alto, os sinais LoRa se tornam mais resistentes à interferência e podem ser recebidos em distâncias maiores, embora com a desvantagem de maior tempo de transmissão e menor capacidade de rede.
- Largura de banda e taxa de codificação
O LoRaWAN permite o ajuste da largura de banda e da taxa de codificação, que afetam a robustez do sinal LoRa contra ruído e interferência.
- Largura de banda (BW): Uma largura de banda maior aumenta a taxa de dados, reduzindo o tempo no ar, mas tornando o sinal mais suscetível a ruídos. Por outro lado, uma largura de banda menor resulta em uma taxa de dados menor, mas em um sinal mais resiliente.
- Taxa de codificação (CR): A taxa de codificação define a proporção de bits de dados em relação ao número total de bits transmitidos, contabilizando os códigos de correção de erros. Uma taxa de codificação mais alta significa que mais dados redundantes são transmitidos, proporcionando maior resiliência a erros de bits em detrimento da eficiência da taxa de dados.
- Interferência de canal
A LoRaWAN opera nas bandas ISM não licenciadas, onde vários outros dispositivos e tecnologias também transmitem. A presença de interferência dessas fontes pode afetar a clareza do sinal e reduzir o alcance efetivo.
- Interferência de co-canal: Quando vários dispositivos transmitem no mesmo canal de frequência, pode ocorrer interferência entre canais. O uso da modulação CSS pelo LoRa ajuda a mitigar esse problema, mas ele continua sendo um fator em redes densamente povoadas.
- Limitações do ciclo de trabalho: Algumas regiões impõem limites de ciclo de trabalho para transmissões nas bandas ISM. Isso se refere à relação entre o tempo de transmissão e o tempo total e visa reduzir a chance de interferência. Essa limitação pode afetar o número de mensagens que um dispositivo pode enviar e, portanto, influenciar o projeto da rede.
Fatores regulatórios e de conformidade
Fatores regulatórios também são essenciais ao determinar o alcance de uma rede LoRaWAN devido às limitações e requisitos impostos pelos reguladores do espectro de rádio.
- Regulamentações de Frequência: Diferentes regiões designaram faixas de frequência específicas para a banda ISM. Órgãos reguladores, como a FCC nos Estados Unidos e a ETSI na Europa, regulam a frequência, a potência e o ciclo de trabalho para equilibrar as necessidades dos diversos serviços que compartilham o espectro.
- Conformidade: O cumprimento das regulamentações é essencial não apenas para a operação legal, mas também para garantir que os dispositivos sejam otimizados para as frequências que utilizam. A conformidade com essas regulamentações garante a interoperabilidade e a confiabilidade da rede, evitando penalidades ou interrupções operacionais.
Fatores Tecnológicos Avançados
Os novos avanços tecnológicos oferecem novas soluções para aumentar o alcance e a eficiência das redes LoRaWAN.
- Taxa de Dados Adaptável (ADR): O ADR otimiza as configurações de energia SF e TX para nós individuais, melhorando a eficiência energética e o desempenho geral da rede.
- Topologia de rede: A implantação de gateways adicionais pode melhorar a cobertura e a capacidade. O posicionamento estratégico desses gateways, considerando o terreno e possíveis obstruções, é essencial para a otimização da rede. Por meio dessas diversas configurações de rede e considerações regulatórias, é possível ajustar uma rede LoRaWAN para maximizar seu alcance, atendendo aos requisitos legais e otimizando o tráfego de rede.
Conclusão e Perspectivas Futuras
Concluindo nossa discussão detalhada, desvendamos a miríade de fatores que influenciam o alcance das redes LoRaWAN, desde as complexidades técnicas da potência de transmissão e sensibilidade do receptor até as complexidades do ambiente em que a rede é implantada. Também vimos como considerações regulatórias e configurações avançadas de rede podem impactar ainda mais a extensão e a eficiência da cobertura da rede.
Concluindo, maximizar o alcance das redes LoRaWAN é um desafio dinâmico e multifacetado que exige um profundo entendimento das especificações técnicas, uma avaliação cuidadosa do ambiente de implantação, atenção à conformidade regulatória e a capacidade de adaptação à tecnologia em constante avanço.
À medida que olhamos para o futuro da IoT e dos dispositivos conectados, as lições aprendidas com esses casos e análises orientarão o crescimento contínuo e a otimização das redes LoRaWAN em todo o mundo.
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