Modo de operação de retransmissão ampliando a cobertura LoRaWAN

O modo de operação Relay é um novo e poderoso recurso da tecnologia LoRaWAN para ampliar o alcance e a cobertura da rede. redes LoRaWAN e melhorar sua confiabilidade. Este novo recurso LoRaWAN oferece dois benefícios principais: primeiro, ampliará o alcance das redes LoRaWAN e, segundo, melhorará a cobertura e a confiabilidade para dispositivos LoRaWAN que apresentam conexão deficiente com os gateways devido à sua localização distante (como medidores de água e gás em porões e parquímetros). O recurso de retransmissão LoRaWAN também contribuirá para a adoção e implantação em larga escala da IoT. Os nós de retransmissão, assim como os dispositivos e sensores LoRaWAN, funcionam com baterias e, portanto, são fáceis de implantar e de baixo custo. Além disso, os nós de retransmissão ajudarão a alcançar uma cobertura de rede robusta e confiável para todos. Dispositivos LoRaWAN e sensores, reduzem o número de retransmissões e, em alguns casos, diminuem significativamente os custos da rede, já que as operadoras não precisarão implantar gateways adicionais para alguns dispositivos ou sensores. Para uma melhor compreensão do novo Modo de Operação de Retransmissão e dos Nós de Retransmissão, vamos nos concentrar nos benefícios específicos que eles podem trazer e nas maneiras como isso acontece.

Como funciona a conectividade LoRaWAN padrão?

O protocolo LoRaWAN suporta a implantação de gateways, projetados para receber e enviar mensagens de e para dispositivos finais e sensores. O padrão LoRaWAN pressupõe que o gateway receba as mensagens e as encaminhe para o servidor de rede. O gateway pode suportar múltiplos canais, portanto, tipicamente, um único gateway receberá respostas de milhares de dispositivos. Dispositivos LoRaWAN e sensores, e repassa essas mensagens para o servidor de rede. Por outro lado, as mensagens recebidas do servidor de rede são enviadas para cada dispositivo e sensor LoRaWAN. É por isso que o termo gateway é usado em vez de estação base – esta última implicaria o processamento de mensagens semelhante às tecnologias 4G-5G antes de enviá-las para o servidor de rede ou para os dispositivos e sensores.

Protocolo de Segurança

O protocolo de comunicação padrão LoRaWAN utiliza criptografia para a transferência segura de dados. As transmissões LoRa são protegidas com um esquema de criptografia de 128 bits. Essa criptografia é obtida por meio de duas chaves de sessão: uma armazenada pelo servidor de rede e a outra pelo servidor de aplicação. Cada chave de sessão é gerada durante a troca de informações entre o dispositivo final e o servidor de rede. Uma vez que um dispositivo se conecta à rede, ele pode enviar e receber dados com segurança. A chave de sessão (NwkSKey) garante a integridade das mensagens, enquanto a chave de sessão (AppSKey) garante a criptografia.

ativação

Durante a Rede LoRaWAN No processo de ativação, um servidor de rede e um nó final devem derivar as mesmas chaves de sessão usando informações de dispositivo trocadas, valores nonce e a(s) chave(s) secreta(s) compartilhada(s). As chaves de sessão são usadas apenas para esta sessão do nó final. Como as chaves de sessão são regeneradas durante qualquer procedimento de junção subsequente, a perda ou roubo dessas chaves não é tão crítico quanto o da(s) chave(s) raiz. Vale ressaltar que adicionar um nó de retransmissão não compromete a segurança do LoRaWAN de forma alguma, portanto, não deve ser motivo de preocupação.

Como funciona a funcionalidade de retransmissão LoRaWAN?

O modo de operação de retransmissão é um novo recurso do LoRaWAN que ajuda a garantir que um gateway receba dados de um dispositivo que esteja muito distante para transmiti-los sem um nó de retransmissão. Para estender a cobertura da rede, o LoRaWAN pode usar esse novo recurso de retransmissão, que é simples de implementar e de baixo custo. Os nós de retransmissão LoRaWAN usam mensagens de uplink e downlink LoRaWAN para transferir dados. Assim que o uplink do dispositivo final é recebido, o mecanismo de retransmissão encapsula a mensagem inicial com algumas informações adicionais e envia um uplink para o gateway. Em seguida, o gateway encaminha esse uplink para o servidor de rede, que o reconhece como uma mensagem retransmitida. Idealmente, um módulo de retransmissão bem posicionado, robusto e resistente a ruídos permitirá a comunicação bidirecional com dispositivos que estavam fora do alcance da cobertura original da rede.

Para utilizar o novo recurso de retransmissão, os dispositivos LoRaWAN devem ser compatíveis com a comunicação Classe A. Trata-se de uma comunicação sem fio bidirecional e assíncrona, que permite que cada transmissão de uplink ocorra a qualquer momento, seguida por janelas de downlink. A comunicação Classe A também é utilizada para enviar e receber comandos de controle de rede. Ela permite que um dispositivo LoRaWAN entre em um estado de baixo consumo de energia pelo tempo especificado pela aplicação.

O padrão LoRaWAN atual, baseado na camada de enlace LoRaWAN, consiste em dispositivos finais e gateways. Embora a especificação de rede LoRa existente permita apenas um único salto entre dispositivos finais e gateways, a abordagem de dois saltos, disponível com um módulo repetidor, tem a vantagem de melhorar significativamente a área de cobertura. Como já mencionado, um módulo repetidor alimentado por bateria tem um custo extremamente baixo e é capaz de transferir frames LoRaWAN para atingir a cobertura necessária.

Que problemas o novo recurso de relé resolverá?

Adicionar um recurso de retransmissão à rede IoT ajudará a alcançar uma extensão robusta da cobertura de rede em uma ampla gama de setores-chave. Se você possui uma rede de Internet das Coisas e deseja obter excelente cobertura, deve incluir um gateway para um nó LoRaWAN ou um recurso de retransmissão. Amanhã, ao analisar os requisitos de cobertura de rede, você se surpreenderá com o quanto eles são diferentes dos de hoje. Portanto, se você deseja ter uma posição sólida no setor de tecnologia, deve considerar a inclusão desse componente essencial em sua conectividade com a Internet.

A funcionalidade de retransmissão oferece um benefício significativo para dispositivos remotos que exigem cobertura subterrânea extremamente desafiadora ou cobertura profunda em ambientes internos. Extensões de cobertura de rede são necessárias para medidores dentro de armários metálicos, ambientes altamente desafiadores, como curvas, alarmes de incêndio em edifícios, incêndios florestais, inundações/avalanches/movimentos de terra e situações semelhantes que exigem cobertura de rede robusta e profunda em ambientes internos. Os desafios ambientais presentes em diversas áreas das cidades inteligentes e remotas impedem que os dispositivos tenham o melhor desempenho, pois podem não ter cobertura de rede completa. Habilitar a funcionalidade de retransmissão amanhã, por sua vez, nos permitirá viabilizar a implantação massiva da IoT. Com pontos de retransmissão, as comunicações de longo alcance estarão disponíveis mesmo em ambientes subterrâneos, de concreto e metal extremamente desafiadores.

Por que é melhor usar repetidores LoRaWAN em vez de gateways adicionais?

Você pode fazer essa pergunta, e ela será totalmente justificada. Você pode pensar que será mais simples e eficaz adicionar mais um gateway ao sistema em vez de adotar um repetidor. Mas, quando o objetivo é expandir a cobertura da rede, não há essa escolha entre gateway e módulo receptor de repetidor. Se você adicionar mais um gateway para atingir a cobertura necessária, terá mais trabalho para adequar a alimentação e a conexão de backhaul, e o custo será maior. Com um nó repetidor, por outro lado, você pode obter a mesma cobertura com mais facilidade, usando baterias e uma conexão LoRaWAN.

Custo mais baixo

A funcionalidade de retransmissão LoRaWAN, por sua vez, é menos dispendiosa do que os gateways IoT tradicionais, mais fácil de integrar e muito mais eficiente na extensão da cobertura da rede. Além de ser uma solução de baixo custo, este modo de operação é uma boa opção para empresas que já possuem sua arquitetura IoT e conhecem suas limitações físicas. Ademais, um programa de certificação LoRaWAN robusto com um mecanismo de retransmissão integrado permite que as empresas reduzam o número de gateways necessários, o que é um fator crucial para economizar recursos.

Os pontos de retransmissão criam um método de comunicação multi-hop que melhora a cobertura do LoRaWAN em ambientes extremamente desafiadores, onde os gateways não conseguem receber os sinais dos sensores diretamente, garantindo assim comunicações de longo alcance. Os membros da LoRa Alliance identificaram que a adição da especificação de retransmissão oferece diversas vantagens, incluindo baixo custo e maior alcance de cobertura. É também uma excelente opção para uso no setor de serviços públicos, visto que os sensores de medição exigem cobertura subterrânea, o que representa uma enorme oportunidade de mercado para dispositivos de retransmissão alimentados por bateria.

Cobertura total da rede

A extensão da cobertura de uma rede de retransmissão pode aumentar drasticamente o alcance da comunicação. Adicionar um módulo de retransmissão também pode simplificar a implantação de redes LoRaWAN e ajudar a viabilizar a implantação massiva de IoT em cidades inteligentes e áreas remotas. A vantagem do modo de operação de retransmissão em relação às redes mesh é que são necessários menos nós.

O novo recurso de retransmissão tem todas as condições para se tornar um componente essencial das redes LoRa. Ele pode melhorar o desempenho dos sensores e resolver o problema da cobertura insuficiente. Um módulo de retransmissão garantirá comunicações ponta a ponta estáveis ​​para medidores de água em armários metálicos, dispositivos de estacionamento subterrâneo e componentes externos da Internet das Coisas afetados por condições climáticas extremas. Os relés usarão o feedback de um gateway para determinar quando transmitir dados para o dispositivo final e quando encaminhar os quadros LoRaWAN adiante. Essa tecnologia foi projetada para ser compatível com a maioria das aplicações padrão LoRaWAN, portanto, deverá se tornar uma escolha comum para a maioria dos principais setores.

De que maneiras os gateways prevalecem sobre os nós de retransmissão?

Ainda é importante considerar a opção de adicionar mais gateways para configurar um monitoramento eficiente. Os gateways têm maior capacidade, melhor desempenho e menor consumo de energia do que o recurso de relé recém-introduzido.

Maior capacidade

A capacidade da rede é uma função da densidade dos gateways. Para maximizar a capacidade da rede, preservando a energia da bateria dos nós finais LoRa, gateways LoRaWAN Utiliza-se um mecanismo de taxa de dados adaptativa. Esse mecanismo envia pacotes na taxa mais baixa quando os sensores estão mais próximos do gateway. A taxa mais alta é usada quando os sensores estão mais distantes do gateway. Assim, gateways e dispositivos operam com capacidade máxima nessa estrutura.

Menor consumo de energia

O baixo consumo de energia é um dos principais requisitos para um módulo LoRa. Vários fatores podem determinar o consumo de energia, como o modo de operação e o tempo de atividade do dispositivo. Geralmente, os modos de operação consomem mais energia do que os modos de repouso. Portanto, é necessário considerar ambos os fatores ao calcular o consumo de energia de um módulo LoRa. Dispositivo LoRaWAN.

As redes LoRaWAN são sempre configuradas em uma topologia em estrela, onde os gateways atuam como retransmissores entre os dispositivos finais e enviam mensagens para o servidor de rede. Ao adicionar mais um gateway em vez do modo de operação de retransmissão no LoRaWAN, você poderá maximizar a quantidade de dados transferidos e minimizar o consumo de energia. O modo de baixo consumo de energia dos gateways permite que os dispositivos finais entrem em um modo de hibernação de baixo consumo. Além disso, o dispositivo pode permanecer nesse modo pelo tempo necessário para a aplicação.

Os dispositivos LoRaWAN devem ser sistemas de baixo consumo de energia. É essencial evitar o acúmulo de funcionalidades desnecessárias, que faz com que o sistema consuma mais energia do que o necessário. A velocidade do clock e o tamanho da memória também devem ser mantidos baixos, pois esses fatores afetam o consumo de energia dos dispositivos LoRaWAN. Adicionar um gateway extra requer apenas o custo nominal do próprio dispositivo, já que os gastos com energia serão extremamente baixos.

Melhor Performance

Os gateways são muito mais poderosos do que os nós de retransmissão, graças ao hardware robusto, às capacidades de transmissão e recepção e aos filtros de RF. De forma geral, os gateways podem lidar com mais dispositivos e garantir um melhor desempenho de todo o sistema inteligente.

Quais são os pontos importantes a serem considerados em relação ao recurso de relé?

À primeira vista, analisando as informações fornecidas sobre o modo de retransmissão, ele pode parecer a solução perfeita para todos os problemas existentes no mercado de IoT. No entanto, devemos manter a objetividade e aplicar o pensamento crítico a essa questão, sem nos deixarmos influenciar por uma campanha promocional. Em primeiro lugar, para ampliar a cobertura com os repetidores, as empresas precisarão integrar novos dispositivos com firmware compatível com retransmissão. Isso pode não ser um problema para pequenas empresas, mas se estivermos falando de empresas globais ou cidades inteligentes, comprar um monte de novos dispositivos apenas para começar a usar o modo de retransmissão pode parecer muito caro e inviável.

Outro ponto de grande preocupação é a redução da duração da bateria. Espera-se que os dispositivos finais, que operarão com base no recurso de relé, tenham de ½ a ¼ da duração da bateria em comparação com um dispositivo Classe A normal. Essa redução na duração da bateria é esperada devido aos processos extras envolvidos na operação em modo de relé. Por exemplo, um dispositivo precisará enviar um sinal WakeOnRadio, que consome muita energia, para notificar o relé, o que deverá resultar no maior aumento no consumo de energia. É claro que não podemos afirmar com certeza que será assim antes de testes em situações reais, mas essas estimativas são prováveis ​​e devem ser levadas em consideração.

É importante ter em mente que, embora um repetidor possa ampliar a cobertura e seja muito mais barato do que um gateway adicional, ele sempre consumirá capacidade da rede. Os gateways são uma opção mais estável e superior em termos de desempenho. Portanto, optar ou não por esse novo recurso de repetidor depende principalmente dos seus objetivos.

Como a TEKTELIC vai abordar o novo recurso de relé?

A TEKTELIC lidera o mercado LoRaWAN com seu amplo portfólio de gateways, dispositivos, sensores e soluções de nível de operadora, sempre buscando maneiras de agregar valor aos nossos clientes e ao ecossistema LoRaWAN como um todo. Ouvimos nossos clientes para entender seus principais desafios. Acreditamos que o Modo Relé solucionará diversos problemas enfrentados pelos clientes atuais e reduzirá o Custo Total de Propriedade (TCO) para as operadoras. Auxiliamos no desenvolvimento e na implementação desse recurso no padrão LoRaWAN e decidimos compartilhá-lo com vocês, dando início ao trabalho nessa direção. Sabemos de diversas aplicações em que o Modo Relé ajudará no monitoramento de ativos estáticos em cidades inteligentes, no setor de serviços públicos, em estacionamentos e outros. Como membro patrocinador da associação LoRaWAN, a TEKTELIC conta hoje com mais de 450 clientes, lidera a adoção massiva da IoT e acredita que esse recurso será utilizado por muitos de seus clientes atuais e futuros. Ao mesmo tempo, queremos ser objetivos e, por isso, apresentamos os prós e os contras.

Principais Takeaways

Dispositivos LoRa Oferecem muitas funcionalidades atraentes para aplicações de IoT. São projetados para baixo consumo de energia e podem ser implementados em redes públicas e privadas. Os dispositivos LoRa também podem ser facilmente integrados à infraestrutura existente. O novo modo de retransmissão, por sua vez, pode ser revolucionário para ambientes complexos. Um nó alimentado por bateria resolverá o problema do transporte de pacotes LoRaWAN da rede para a internet. (gateway). para dispositivos e sensores LoRaWAN através de paredes espessas, coberturas metálicas no solo, estacionamentos subterrâneos, estruturas metálicas e outros ambientes de difícil acesso.

Atualmente, todos os membros patrocinadores e colaboradores da LoRa Alliance, incluindo a TEKTELIC, estão trabalhando em estreita colaboração para finalizar a especificação do módulo de relé, para que as empresas possam fabricá-lo, testá-lo e disponibilizá-lo aos seus clientes. Enquanto nossa equipe de P&D trabalha no dispositivo de relé propriamente dito, nosso objetivo aqui é fornecer a você uma compreensão clara e fácil de entender sobre esse novo recurso e seus benefícios.

Ainda vemos a lista de desafios, que podem ser importantes de abordar, tais como:

• Compatibilidade dos relés com os dispositivos atuais e a necessidade de adquirir novos dispositivos com firmware compatível com relés;
• Espera-se uma menor duração da bateria dos dispositivos finais (entre ½ e ¼ da duração da bateria em comparação com os dispositivos de classe A atuais);
• Aumento do consumo de capacidade da rede;
• Incapacidade de construir uma rede MESH; (em vez disso, seu objetivo é fornecer uma extensão de cobertura significativa à arquitetura em estrela na qual o LoRaWAN se baseia).

É difícil dizer agora o quão eficaz será esse modo de retransmissão, mas quando analisarmos todos os benefícios e possíveis desvantagens, será muito mais fácil tomar decisões.

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