Entenda a diferença entre área ampla de baixa potência e WPAN

Neste artigo, revisaremos algumas das opções de área ampla de baixa potência que são mais comumente usadas, com foco em tecnologias celulares (IoT de banda estreita e LT-M), bem como aqueles WPAN usando largura de banda não licenciada, LoRa/LoRaWAN, e Sigfox. We’ll also figure out the differentiation between the technologies of LPWAN and WPAN. A tecnologia de transmissão usando frequências mais altas pode transmitir mais dados e taxas de bits mais rápidas do que o rádio de baixa frequência. Frequências mais altas exigirão mais potência enquanto o alcance de viagem não for tão longe quanto as frequências mais baixas. Em edifícios, áreas construídas, ou áreas com outras fontes de interferência, o alcance é ainda menor. Qualquer frequência em um apartamento, área aberta terá um alcance mais amplo do que em uma área construída devido a menos interferência. Depois de aprender esses fundamentos, we’ll also direct you on choosing the right technology for your application, tendo em conta a potência disponível, a quantidade de dados que você precisa transferir, e o alcance que você deseja alcançar.

Rede de Internet das Coisas baseada em RF

Existem muitas soluções de comunicação de dispositivos IoT baseadas em RF na rede. Por uma questão de discussão, nós os dividimos em duas categorias:

• Tecnologia de curto alcance, ou tecnologias WPAN como Bluetooth, Wi-fi, Z-Wave, e Zigbee, tem distâncias curtas, que estão com taxas de bits altas ou baixas e é o potencial para consumir energia maior ou menor.
• Longo alcance, ou tecnologia de área ampla de baixa potência, tem baixo consumo de energia, longa distância, e baixa taxa de bits.

Rede de área pessoal sem fio (WPAN)

A tecnologia WPAN é limitada em escopo, mas pode ser estendido usando topologia de malha. A topologia de malha é uma implementação de rede pela qual cada dispositivo envia repetidamente sinais para outros dispositivos nas proximidades. Conforme o conteúdo abaixo, you’ll find that the main use cases for WPAN are those who don’t care much on range.

Wi-fi

Wi-Fi pode rodar em 2,4 GHz ou 5 GHz. Porque essas frequências são mais altas, As taxas de dados WIFI também são mais altas. Cada dispositivo possui um 1:1 relacionamento com o roteador de rede. Como vimos antes, o alcance da comunicação será muito curto devido à alta frequência das ondas de RF. Dispositivos Wi-Fi tradicionais têm requisitos de energia mais altos, o que significa que a maioria dos dispositivos disponíveis precisa ser alimentada pela rede elétrica. Wi-fi 6 parâmetro visa diminuir o consumo de energia dos dispositivos Wi-Fi IoT para que os dispositivos IoT possam usar Wi-Fi. no entanto, there’s still a long way for devices using these new specifications to become easily accessible. WI-FI é ideal para situações em que os dados em massa precisam ser transferidos instantaneamente. Por exemplo: equipamento de câmera que precisa carregar videoclipes 4K.

As soluções WI-FI se adaptam às seguintes aplicações:

• Altas taxas de dados
• alta qualidade de serviço (probabilidade de transmissão de mensagens)
• Baixa latência

As soluções Wi-Fi não são adequadas para as seguintes aplicações:

• alcance muito amplo entre dispositivos e roteadores
• dispositivos movidos a bateria

Bluetooth

Suporta vários modos Bluetooth. O modo mais relevante para a Internet das Coisas é o Bluetooth Low Power (PASSOU A SER). BLE opera em 2,4 GHz, mas transmite apenas uma pequena quantidade de dados. Além disso, ele também usa a tecnologia de modulação FHSS para combater a interferência. BLE Bluetooth 4 implementa a transferência de dados a 1Mbps. Bluetooth 5 leva até 2Mbps. O alcance do BLE pode ser aumentado pelo Bluetooth Mesh na maneira de passar mensagens entre nós, mas você deve ter uma grande quantidade de nós para permanecer conectado em uma ampla faixa de área.

As soluções BLE são mais adequadas para aplicações que exigem:

• Baixo consumo de energia
• Serviço de alta qualidade
• Baixa latência
• Use a grade Bluetooth para alcance médio

As soluções BLE não são adequadas para:

• Uso a longo prazo

Zigbee e Z-Wave

Zigbee opera a 1000 MHz e 2,4 GHz, respectivamente. A onda z opera em cerca de 900MHz. O sinal será menos afetado por interferências e é mais acessível para passar por obstáculos com frequências mais baixas. Frequências mais baixas resultam em taxas de dados mais baixas. Enquanto Z-Wave e Zigbee são de curto alcance, o alcance geral da rede pode ser estendido com vários dispositivos em uma grade. Zigbee e Z-Wave são ideais para dispositivos com baixo consumo de energia que exigem serviço de alta qualidade e pequenas quantidades de dados, por exemplo, interruptores de luz e sensores de temperatura em residências.

Zigbee e Z-Wave são mais adequados para:

• Baixo consumo de energia
• Serviço de alta qualidade
• Baixa latência
• Gama flexível de vários dispositivos

Zigbee e Z-Wave não são adequados para:

• Grandes quantidades de dados
• Longo alcance

Rede de longa distância de baixa potência (LPWAN)

LPWAN tecnologias podem atender aos requisitos de redes de longa distância e de baixa potência. Se sua rede for necessária para cobrir longas distâncias, ou você precisa atravessar obstáculos como edifícios, então uma solução de área ampla de baixa potência é uma ótima opção para você. A solução de área ampla de baixa potência abrange uma faixa de frequências em bandas licenciadas e não licenciadas. Nas seções a seguir, discutiremos algumas das tecnologias LPWAN mais populares.

Cellular – the difference between LPWAN and WPAN

As redes celulares usam bandas licenciadas, normalmente na faixa de 500 MHz a 4 GHz, embora a tecnologia 5G possa usar frequências mais próximas de 100 GHz. Inicialmente, redes celulares nasceram para comunicações de alta taxa de dados, por exemplo, chamadas de voz que estão sendo executadas em frequências mais altas para transportar volumes maiores de dados. Quanto maior a frequência, quanto menor a distância, então agora existem padrões de rede celular especificamente para comunicações IoT de baixa frequência para alcançar distâncias maiores. Existem duas especificações celulares principais que devem ser consideradas para aplicativos de IoT.

Ambas as tecnologias se enquadram no 5G: a IoT de banda estreita

• NB-IoT, às vezes referido como CAT-M2 ou CAT-NB, é uma categoria de comunicação celular com uma largura de canal de frequência estreita. O NB-IoT usa menos energia do que o LTE-M com uma distância maior.
• LTE-M tem taxas de dados mais altas e menor latência que nB-iot. O LTE-M também tem a vantagem de permitir a mobilidade do dispositivo sobre o NB-IoT, portanto, se o dispositivo se mover durante a transmissão de dados, ele pode mudar para outra estação base. As taxas de dados em redes celulares são as mais altas entre as soluções de área ampla de baixa potência, assim, o tamanho dos pacotes que você pode enviar foi aumentado.

As frequências das soluções celulares são permissivas, pode reduzir a interferência, e mensagens podem ser enviadas. Como resultado, a tecnologia celular oferece serviço de alta qualidade e baixa latência. Se o seu caso de uso exigir ação imediata, such as shutting off a gas valve at a long distance once there’s a leak, então você pode levar o celular em consideração.

As redes celulares normalmente pertencem a provedores de rede móvel. Ao escolher uma rede celular para sua solução de IoT, você pode aproveitar a infraestrutura já instalada com base na cobertura da sua área de destino. no entanto, especificações de IoT celular são relativamente novas,that’s why network providers are still setting up their systems as a support. Você também pode descobrir que a cobertura do seu provedor de rede é limitada e pode escolher uma ou outra especificação (IoT de banda estreita ou LTE-M) para atender seus clientes. (Observação: é improvável que ambos sejam implementados por um determinado provedor de rede.)

Um caso de uso adequado para implementação de IoT celular é a medição elétrica:

• altas taxas de dados e comprimento de carga útil
• alta qualidade de serviço
• baixa latência

Sigfox e LoRa

Sigfox e LoRa usam bandas não licenciadas entre 433MHz e 928MHz para transmitir sinais de baixa frequência em longo alcance. Como veremos, essas tecnologias compartilham algumas características comuns. Ao contrário das redes celulares, As redes LoRa e Sigfox usam uma topologia de rede em estrela,o que significa que as mensagens de broadcast podem ser recebidas e entregues na nuvem por qualquer estação base no escopo específico. Isso aumenta a chance de que o sinal seja capturado quando o dispositivo estiver na faixa externa de várias estações base. Tanto o Sigfox quanto o LoRa podem cobrir distâncias maiores e usar menos energia do que o celular. Em vez de, ambos têm velocidades de transferência de dados mais lentas e mais restrições de dados e frequência. Uma quantidade maior de dados pode ser enviada por mensagem, transmitir com mais frequência com LoRa, e obtenha o alcance máximo potencial com Sigfox.

O que Sigfox e LoRa têm em comum:

• longo alcance
• Baixo consumo de energia

Sigfox

A Sigfox foi fundada em 2010, tornando-se a primeira área ampla de baixa potência moderna. Sigfox usa bandas não licenciadas em frequências de 862MHz a 928MHz, e usa modulação de banda ultra estreita para enviar mensagens de largura de 100Hz. Isso significa que os dispositivos Sigfox transmitem em canais aleatórios em uma determinada faixa de operação, pode ser útil para reduzir a possibilidade de interferência de ruído de fundo. A Sigfox pode alcançar o alcance máximo de todas as tecnologias que estamos analisando, mas resultará em baixas taxas de dados por causa da banda estreita usada. Portanto, uma pequena quantidade de dados deve ser transmitida por cada mensagem com menos de 12 bytes.

Os usuários do Sigfox não podem enviar mais de seis mensagens por hora de um dispositivo para a nuvem (a montante) e não mais de quatro mensagens por dia da nuvem para um dispositivo (Rio abaixo). Essas limitações significam que o Sigfox é ideal para aplicativos de baixo consumo de energia que precisam apenas comunicar alguns valores simples por dia.

Você tinha que registrar a rede pública Sigfox agora. But it’s ok as, Sigfox permite que você execute instâncias privadas de sua rede oferecendo tecnologia PAN.

• Sigfox’s advantage: Maior alcance de todas as opções de área ampla de baixa potência.

LoRa e LoRaWAN

LoRa usa bandas de frequência não licenciadas entre 433MHz e 928MHz com base na região, e usa um esquema de modulação CSS proprietário para fornecer dados em uma largura de banda de canal mais ampla com bandas estreitas (125, 250 e 500kHz), nesse caminho, baixos níveis de ruído e recursos anti-jamming podem ser garantidos. O esquema de modulação pode ser alterado alterando o fator de propagação para alcançar maior distância ao custo de energia. LoRaWAN é um protocolo padrão aberto que define a comunicação entre gateways e dispositivos.

LoRa’s range is larger than Cellular, mas menor que Sigfox. no entanto, it’s flexible of packet size limits, e você pode transferir mais dados do que com o Sigfox se a configuração estiver correta. A região em que você está e a taxa de dados que você deseja suportar decidem o tamanho máximo do pacote de uma mensagem LoRa. Taxas de dados mais altas significam intervalos mais curtos porque as frequências são mais altas.

Muitos provedores de rede LoRaWAN públicos estão no mercado. Mas você também pode configurar uma rede privada usando seu próprio software e gateway.

O rolo tem uma variedade de operações:

• Classe A: requer o mínimo de energia. O dispositivo dorme a maior parte do tempo e acorda para enviar mensagens de uplink quando os valores do sensor mudam. A janela para receber mensagens do servidor (Rio abaixo) é muito limitado.
• Classe B: Também requer muito pouca energia. O dispositivo está adormecido a maior parte do tempo, mas pode acordar na hora e relatar a leitura atual quando a leitura do sensor mudar. A janela para receber mensagens do servidor (Rio abaixo) é limitado.
• Classe C: Requer mais energia do que os dispositivos Classe A e B, mas o dispositivo está sempre ouvindo o downlink, a menos que transmita o uplink. A flexibilidade dessas operações multiclasse significa que uma gama mais ampla de casos de uso pode ser atendida pelo LoRaWAN.

Vantagens do LoRaWAN:

• Ele controla o tamanho máximo do pacote, que é maior do que Sigfox.
• Fácil de construir uma rede privada econômica.
• Flexível, combinações de dispositivos com diferentes requisitos de energia e atraso funcionam em conjunto.

Conclusion – the difference between LPWAN and WPAN

As baixas frequências têm um alcance maior enquanto transportam menos dados do que as altas frequências. Tecnologias WPAN como Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee e Z-Wave são com frequências mais altas e curtas de longa distância. Essas opções não são ideais para cenários onde a distância é importante. As tecnologias LPWAN são capazes de alcançar maior alcance e operar em frequências mais baixas do que as tecnologias WPAN. Determinamos que a técnica correta de área ampla de baixa potência depende do seu caso de uso. Tecnologias celulares como NB-IoT e LTE-M são ótimas opções para cenários onde a cobertura celular e onde o serviço, baixa latência e grandes quantidades de dados são mais importantes que a potência porque o alcance provavelmente será menor. O Sigfox é adequado para situações em que você possui poucos dados e deseja transmiti-los por longas distâncias com baixo consumo de energia. LoRa permite o controle máximo, capacidade configurável de enviar volumes maiores de dados simplesmente configurando redes privadas, e a classe C suporta latência mais baixa.