LPWAN (rede de longa distância de baixa potência) tecnologias usam telecomunicações sem fio para transmitir dados em uma rede de área ampla. Esta tecnologia é projetada especificamente para permitir a transmissão de comunicações de longo alcance em baixas taxas de bits. Esses dois recursos distinguem as tecnologias LPWAN de outras WANs sem fio que usam mais energia e transportam mais dados ao se conectar aos usuários. A taxa de dados do intervalo LPWAN de 0.4 Kbit / s para 40 Kbit / s por frequência.
Além de LPWANs sendo usados para criar uma rede privada de sensores sem fio, eles também podem ser usados como uma infraestrutura de terceiros que permite aos usuários de sensores configurá-los em campo sem necessariamente colocar a tecnologia de gateway LPWAN.
Em MOKOLoRa, nós somos agnósticos em tecnologia. Vamos contemplar seu projeto LPWAN vs LoRaWAN IoT holisticamente e recomendar a tecnologia mais apropriada para sua aplicação exata.
Alguns dos padrões e vendedores concorrentes para as tecnologias LPWAN são:
• DASH7 – is a bi-directional firmware standard with a low latency that works over several LPWAN radio technologies such as LoRa.
• Chirp spread spectrum (CSS)
• Sigfox – It is based on the Tecnologia UNB
• LoRa – It is a patented LPWAN technology that applies the chirp spread spectrum radio modulation.
• MIoTy – It is an LPWAN standard that implements telegram splitting technology.
• Weightless – It is an open standard that applies the LPWAN narrowband technology.
Banda ultra estreita
A banda ultra estreita (UNB) é uma tecnologia de modulação usada para tecnologias LPWAN por diferentes empresas, como;
• Sigfox – It is based on UNB technology.
• Weightless – It is a Weightless SIG set of communication standards.
• NB-Fi Protocol – WAVIoT Company developed it.
Outros
• DASH7 – It is a mode to development framework that uses wireless networks with low power. Esta plataforma funciona em vários padrões de rádio sem fio, como LoRa, LTE, 802.15.4g, e muitos mais.
• LTE Advanced – It is an advancement of LTE infrastructures designed by the 3GPP for connected things
• MySensors – It is a do-it-yourself home automation framework that supports various radios such as LoRa.
• NarrowBand IoT (NB-IoT) – It is a 3GPP LPWAN standardization effort applied in cellular networks
• Random phase multiple access (RPMA) – is an LPWAN standard used in GE’s AMI metering. É baseado em variações da tecnologia CDMA para telefones celulares, embora aplique o espectro não licenciado de 2,4 GHz.
• Byron – It is from the Taggle Systems in Australia.
• Wi-SUN – This platform is based on IEEE 802.15.4g.
1. Long-range – In rural areas, as tecnologias LPWAN trabalham ativamente em um raio de mais de dez quilômetros e menos de um quilômetro em ambientes urbanos. Ele permite a comunicação operacional de dados em ambientes internos e subterrâneos anteriormente inviáveis.
2. Low power – LPWAN is optimized to consume low power. Seus transceptores usam pequenos, baterias baratas que podem durar até 20 anos.
3. Baixo custo: Como LPWAN tem uma faixa operacional baixa, ele minimiza os requisitos de infraestrutura quando combinado com uma topologia em estrela. Reduz os custos da rede, uma vez que também não tem licença, ou bandas licenciadas reduzem o custo das redes.
4. Few access points – LPWAN needs fewer access points like base stations and gateways to cover vast regions like big cities or countries.
5. Enhanced propagation and penetration – The LPWAN technologies typically operate in an unlicensed spectrum under the Sub-GHz banda ISM. Esta banda tem propriedades de propagação aprimoradas e melhor cobertura em áreas restritas, permitindo a penetração através de edifícios e paredes.
Cada aplicativo LPWAN IoT tem necessidades definidas. Sempre considere os seguintes fatores para certificar que você escolheu as tecnologias LPWAN adequadas para o seu projeto de IoT.
uma) Service quality – The key guarantee to an exceptional QoS and industrial-grade reliability is the high data reception rate. Isso é obtido pela imunidade a interferências para tecnologias LPWAN que funcionam em um espectro livre de licença.
b) Scalability – It is essential to have an extensive network capacity to expand future networks and an incredible number of end devices. Um indicador principal a ser observado é o número de dispositivos e mensagens diárias que uma determinada estação base pode controlar.
c) Battery life – Consumption of low-power considerably minimizes the total ownership cost, e também auxilia na realização de objetivos de negócios sustentáveis em redes de sensores remotos.
d) Mobility – It is essential to have end nodes that transmit data at high speeds, permitindo as principais aplicações de IoT, como telemática de frota e a segurança dos trabalhadores.
e) Security – Ensure that your LPWAN technologies has multi-layer encryption with robust authentication and identification systems that safely integrate and transmit data.
f) Public vs private network – Private LPWA systems are more flexible network coverage and design, enquanto os sistemas LPWA públicos levantam regularmente questões de privacidade de dados.
g) Propriety vs standard – Standard solutions are better as they ensure long-term interoperability and reliability with other IIoT network components while at the same time evading the problems of vendor lock-in.
Um dos principais pilares de uma rede LPWAN e IoT robusta é a padronização. Ele fornece uma estrutura técnica exigente, mas clara, certificada por Organizações de Desenvolvimento de Padrões, como 3GPP, PROCURAR, IETF, IEEE, e muitos mais. Uma tecnologia padronizada oferece diferentes benefícios, como maior qualidade e confiabilidade, interoperabilidade de longa data, elasticidade da invenção, e escalabilidade universal.
O reino LPWAN tem duas tecnologias que prosperam nos esforços de padronização.
• Telegram Splitting technology – This technology is for the Low Throughput Networks and is centred on the ETSI standard.
• Cellular LPWAN – This technology is based on the 3ISSO NÃO IMPORTA padrões.
Outras alianças industriais que suportam o crescimento padrão foram estabelecidas em torno das soluções LPWAN proprietárias. no entanto, essas lutas não sancionam a sustentabilidade da tecnologia e não podem cobrir toda a pilha de rede como no Aliança LoRa.
LPWANs licenciados aplicam um espectro de rádio que é licenciado e funciona em redes irrestritas. Suporta os padrões 3GPP e GSM. Esses padrões melhoram a forma como os dispositivos LPWAN fazem roaming de uma rede para outra, pois facilita a mobilidade da rede. além disso, usar um LPWAN licenciado dá ao dispositivo conectado um maior nível de excepcionalidade para conectar. Isso melhora sua confiabilidade e segurança. Alguns tipos de LPWAN licenciados são Narrowband IoT (NB-IoT) e LTE-M.
Por outro lado, os LPWANs não licenciados aplicam um espectro de rádio não licenciado. Pode ser usado por todos sem exclusividade. Unlicensed LPWAN isn’t built to handle continuous movements at high speeds. Em vez de, é adequado para aplicações como em áreas onde uma rede LPWA não licenciada é necessária para a unidade única de dispositivos de ligação naquela região e locais onde um sistema LPWA público não está disponível. Um exemplo de LPWAN não licenciado é LoRaWAN.
Atualmente, o mercado de LPWAN ainda está em seu estágio inicial. É caracterizado por um alto grau de trilha de rede e desintegração da tecnologia que ainda está distante da tecnologia global. no entanto, analistas de mercado propõem que isso está prontamente se fundindo em torno de algumas tecnologias significativas. Em 2017, a tecnologia LoRa era líder de mercado global na implantação de redes públicas e privadas.
no entanto, LoRa deve ser a tecnologia de crescimento mais rápido no final de 2022. Analistas de mercado esperam que LoRa ultrapasse NB-IoT no número de dispositivos conectados; portanto, provavelmente se tornará as tecnologias líderes de LPWAN. Por outro lado, LoRa ainda será o provedor líder de uma rede privada. Ambos LoRa e NB-IoT representar ao redor 70 % de redes públicas e privadas no mercado atual. além disso, Prevê-se que LoRa melhore sua participação de mercado para aproximadamente 85% no final de 2027.
Embora as tecnologias LPWAN tenham benefícios significativos com sua aplicação, também tem algumas limitações. Essas limitações incluem;
uma) LPWAN transmits much less data than other technologies – The data rates of LPWAN technologies mostly range from 100bps to 10s of Kbps. Essas taxas baixas tornam a tecnologia inadequada para aplicativos moderadamente poderosos. Dispositivos que transferem continuamente grandes quantidades de dados entre os sensores em latências baixas requerem redes de maior capacidade para funcionar totalmente.
b) Interference and errors – As most LPWAN protocols are conveyed over unlicensed LPWAN frequency bands, eles correm o risco de experimentar erros e interferências ao trocar dados. Por exemplo, um ambiente de varejo às vezes sofre interferência quando tem leitores RFID coexistindo em suas configurações.
c) Underdeveloped coverage – LPWAN coverage is comparatively underdeveloped compared to the other technologies. A maioria das operadoras de celular desenvolveu redes extensas que suportam prontamente a Internet das Coisas. Para oferecer suporte total aos aplicativos LPWAN IoT, provedores de celular têm uma obstrução inicial complexa que precisam superar. além disso, operadoras de celular têm princípios orientadores de infraestrutura estritos, que são relativamente caros, while LPWAN operators aren’t subject to synchronized tower properties.
A introdução do LPWAN no mercado pode ser rastreada até o final dos anos 1980. Isso foi depois da construção de uma rede de baixo volume de dados pela ADEMCO, usado para monitorar painéis de alarme. A Motorola Company também lançou o ARDIS (uma vasta rede de área de baixa velocidade) usado no rastreamento de transações e processos de automação de vendas no mesmo período. Embora essas inovações sejam diferentes dos LPWANs atuais, eles ainda servem como predecessores da tecnologia emergente.
Com a introdução do 2G na década de 1990, a maioria das operadoras de celular pode transmitir dados junto com voz em longas distâncias. além disso, a demanda pela internet aumentou rapidamente ao longo do tempo, levando as empresas a adotar recursos de conectividade em seus dispositivos. Essa tendência levou ao surgimento de modelos de baixo custo, soluções de comunicação sem fio de baixa potência, como LPWANs.
Recentemente, LPWANs surgiram como uma solução. Sigfox foi a primeira LPWAN Technologies a ser introduzida no mercado por uma empresa francesa em 2009. A tecnologia foi capaz de incorporar aplicativos em tempo real com mais eficiência do que as tecnologias de rádio anteriores. Hoje, o LPWAN de LoRa é patenteado e amplamente utilizado em mais de 57 países globalmente.
Mais tarde depois 3 anos, A Semtech introduziu o protocolo LPWAN LoRa que opera em várias bandas não licenciadas, dependendo de sua localização. Em vez de desenvolvedores usando a infraestrutura já existente, eles podem usar LoRa para configurar suas redes de longa distância. Isso levou ao surgimento de alguns provedores LoRaWAN públicos, como The Things Network, Conta, e machineQ.
Atualmente, várias empresas estão instalando LPWANs para diversos aplicativos, onde a maioria deles participa ativamente da LoRa Alliance. A LoRa Alliance foi estabelecida em março 2015 para promover o triunfo dos protocolos LPWAN. É uma associação de caridade com mais 500 membros da organização.
Existem tecnologias LPWAN baseadas em rede mesh?
Brevemente, redes mesh não podem ser categorizadas como redes LPWAN. As redes mesh são projetadas com nós da web interconectados, onde cada um deles estende os sinais de rádio de forma independente. As redes mesh têm três componentes que funcionam em conjunto para transmitir dados de um sensor sem fio para o outro. Esses componentes de rede mesh são; entradas, pontos finais, e repetidores. no entanto, a tecnologia mesh é incompetente em energia e é melhor para uso em dispositivos que enviam dados em distâncias médias.
A relação de LPWANS e IoTs
LPWANs devem se tornar mais críticos, já que o espaço da Internet das Coisas provavelmente crescerá. Vários dispositivos LPWAN em vários setores e espaços trabalham em conjunto para informatizar sua funcionalidade, minimizar custos operacionais, e voar para maiores níveis de produtividade.
Há necessidade de redes sem fio que possam transferir dados rapidamente por longas distâncias, consumindo menos energia. além disso, empresas que configuram dispositivos IoT exigem soluções econômicas que conectem efetivamente vários sensores à Internet simultaneamente. Se não, most exciting IoT applications won’t be realistic.
Impacto de 5G em LPWANs
A próxima revolução nas comunicações de celular sem fio móvel é 5G. As tecnologias prometem taxas de dados excepcionais com custos e latências minimizados. Assim, devido às capacidades de desempenho 5G, a tecnologia abrirá incríveis inovações tecnológicas.
além disso, a tecnologia 5G é definida para melhorar a conectividade da IoT enormemente e melhorar o número de sensores sem fio que podem ser conectados simultaneamente à internet e uns aos outros. A importância das tecnologias LPWAN tende a crescer com a disseminação da cobertura 5G.
Aplicativos LPWAN
Abaixo estão os vários casos de uso de aplicação das tecnologias LPWAN.
Medição elétrica
LPWANS pode ser aplicado em medição elétrica. As empresas do mercado de medição elétrica geralmente precisam de comunicações regulares, altas taxas de dados, e latências mais baixas. Essencialmente, esses medidores elétricos LPWAN não requerem baterias de longa duração ou menores taxas de consumo de energia, pois têm uma fonte de energia ininterrupta. Para as empresas de medidores elétricos tomarem decisões instantâneas, como interrupções, cargas, e interrupções, eles exigem uma grade em tempo real para fins de monitoramento.
Agricultura inteligente
LPWANs também são usados na agricultura. Aqui, as tecnologias LPWAN devem ter dispositivos sensores com bateria de longa duração. Esses dispositivos sensores melhoram significativamente os rendimentos e minimizam as taxas de consumo de água. Os dispositivos também atualizam regularmente os dados que detectam sempre que experimentam qualquer mudança nas condições ambientais.
Automação de manufatura
Na automação de manufatura, LPWANs monitoram máquinas em tempo real, melhorando assim a eficiência, permitindo o controle remoto e melhorando significativamente a linha de produção industrial. Existem vários tipos de comunicação e necessidades de sensor na automação de fábrica. LoRa é uma solução perfeita para aplicações que precisam de baterias de longa duração e sensores de baixo custo para monitoramento e rastreamento de ativos.
Edifício inteligente
Sensores LPWAN IoT em edifícios inteligentes para segurança, temperatura, umidade, plugues elétricos, e o fluxo de água são implantados para alertar os gerentes de propriedade. Esses sensores também ajudam a prevenir danos e reagir prontamente às demandas, sem necessariamente ter um monitor manual de construção. Esses sensores exigem dispositivos LPWAN Technologies baratos com baterias de longa duração.
Estações de ponto de venda de varejo
LPWANs são usados em sistemas de ponto de venda que precisam de serviços de qualidade garantida. Esses sistemas lidam com comunicações regulares; portanto, eles são construídos com uma fonte contínua de energia elétrica. Eles exigem fortemente uma baixa latência vibrante que não limite o número de transações feitas.
Rastreamento de paletes logísticos
Atualmente, LPWANs são aplicados no rastreamento de paletes logísticos para determinar a localização e as condições dos produtos. Toda empresa de logística precisa ter seu sistema LPWAN Technologies para garantir a cobertura garantida em suas instalações. A aplicação de rastreamento de paletes logísticos é um exemplo perfeito de uma solução de implantação híbrida. Requer dispositivos baratos com baterias de longa duração e pode ser facilmente implantado em todos os veículos.
Todas as infraestruturas LPWAN IoT enfrentam vários desafios relacionados à segurança. A IoT amplia a plataforma de ataque devido ao seu tempo relativamente grande de transmissão e longos intervalos de conectividade. Cada tecnologia protege sua comunicação com suas medidas de segurança, pois todas estão em risco de vulnerabilidade potencial.
A LoRA lida com sua segurança usando o método de criptografia AES-128. Esta técnica oferece várias camadas de criptografia em LoRaWAN. LoRa usa chaves de aplicativo e rede para proteger seus pacotes para a rede com segurança. A rede e as chaves de sessão do aplicativo são criadas usando o 128 bit chave de aplicativo AES (Chave de aplicativo).
The Network session key shared by the network server and end devices is responsible for generating and verifying the message integrity code that warrants the message’s integrity. além disso, a chave de sessão de rede pode ser usada para desenvolver assinaturas exclusivas para cada dispositivo. A chave de sessão do aplicativo faz criptografia e descriptografia de dados. Uma operação XOR criptografa cada mensagem. Além disso, ele gera a carga criptografada usando um fluxo de chaves criado pela rede e as chaves de sessão do aplicativo, junto com o contador de mensagens de uplink e downlink.
Lora dá o mesmo comprimento de mensagem antes e depois da criptografia, e oferece uma chance para a entidade maliciosa de reconstruir o mainstream a partir das mensagens criptografadas. Mesmo com o mecanismo de segurança estabelecido para dispositivos LoRa, esses dispositivos ainda são vulneráveis a bloqueios, buraco de minhoca, e ataques de repetição.
Embora LPWANs venham com possibilidades e benefícios críticos, eles ainda têm vários desafios graves e fatores de risco associados a eles. LTE-M e NB-IoT, ambos são padrões de celular estabelecidos por vários setores históricos, como Nokia e Qualcomm, são um dos principais riscos para LPWANs. Essas redes podem ser facilmente atualizadas e implantadas em software de rede celular por grandes operadoras, como Verizon e AT&T com apenas um toque de um botão. Isso permite que as empresas de telefonia celular atendam com eficiência seus aplicativos de banda estreita reenquadrando as frequências GSM de voz sem necessariamente exigir qualquer hardware extra.
What’s better is that these cellular companies can still articulate this using the same achievable price point when they wish to do so. As empresas de celular são mais propensas a comercializar LTE-M para grandes empresas que usam grandes quantidades de dados móveis e serviços de voz. Como os provedores de celulares arrecadam grandes somas de dólares em contratos de aparelhos, eles ainda precisam fornecer serviços de dados low-end baratos. Isso pode dar-lhes a oportunidade de roubar alguns, caso implementem isso como sua estratégia. Preferencialmente, provedores de celular devem tentar oferecer mais valor do que apenas transporte de dados. Se os membros da LoRa Alliance desenvolverem aplicativos direcionados, Oportunidades LTE-M nunca podem movê-los.
É essencial considerar vários fatores ao selecionar as tecnologias LPWAN certas para o seu projeto de IoT. Essas três preocupações principais que você deve considerar são;
Consumo de energia
É essencial considerar o número de dias em que seus sensores ficarão em campo com a energia da bateria. Também, considere se os dispositivos serão usados ao ar livre, mesmo nos dias de inverno, e com que frequência seus sensores serão necessários para transmitir dados.
Conectividade
Lembre-se do alcance coberto pelas comunicações, a quantidade de dados necessários para enviar cada mensagem, e a localização geográfica dos dispositivos. além disso, considere se você prefere terceirizar o serviço e a infraestrutura de sua rede ou se irá controlar pessoalmente sua rede e os dados que passam por ela.
Móvel ou estacionário
Considere se seus dispositivos serão estáticos onde a distância do gateway LPWAN é constante ou se seus dispositivos serão móveis com sua infraestrutura cobrindo todos os locais possíveis.
Todas as redes LPWAN têm diferentes pontos fortes e fracos no custo, potência, e poder. MOKOLoRa tem Soluções LoRaWAN para monitoramento de localização,monitoramento de temperatura e umidade que são perfeitos para uso em áreas maiores, como fazendas, campus, ou cidades que requerem transmissões de dados de pequeno volume.
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