LPWA significa Low-Power Wide-Area (área ampla de baixa potência). Não se refere a nenhuma tecnologia específica, mas serve como um termo genérico para qualquer rede projetada para se comunicar sem fio com menos energia do que outras redes, como celular, satélite ou TI.
Além disso, as LPWANs se comunicam a distâncias maiores do que outras redes de baixa potência que usam Bluetooth ou NFC, por exemplo.
A LPWA também é chamada de LPWAN, em que o N significa rede. A LPWA é semelhante aos termos LAN ou WAN pelo fato de não ter uma definição oficial e específica.
Normalmente, a comunicação em longas distâncias com baixa potência permite que apenas pequenas quantidades de dados sejam transmitidas por vez. Enquanto as redes celulares modernas estão entrando no território dos gigabits por segundo com o LTE Advanced e as futuras redes 5G, as redes LPWA transmitem muito menos, geralmente apenas alguns kilobits por canal. Por outro lado, muitas tecnologias LPWA podem se comunicar em distâncias maiores, às vezes até 500 milhas ou mais.
Os alertas personalizados e a visualização de dados permitem que você identifique e evite rapidamente problemas de saúde e desempenho da rede.
A largura de banda muito limitada das redes LPWA não é adequada para a maioria dos aplicativos comerciais e de consumo, como voz, vídeo, áudio ou até mesmo mensagens de texto. Dessa forma, as redes LPWA são usadas quase que exclusivamente por dispositivos na Internet das Coisas (IoT) e comunicações M2M (máquina a máquina).
Embora dispositivos domésticos ou comerciais, como geladeiras, lâmpadas ou termômetros Nest, possam facilmente pegar carona em uma conexão WiFi doméstica ou de escritório, alguns dispositivos não podem contar com essa conectividade.
Considere uma vala de irrigação que se estende por quilômetros nas terras agrícolas dos Estados Unidos. Ao longo dessa cadeia de córregos e valas, há centenas ou até milhares de bombas e comportas. Grande parte do canal de irrigação passa por terras privadas, entre campos de cultivo e por vários quilômetros. Assim, seguir o caminho, mesmo que seja uma vez por dia, para garantir que as bombas estejam funcionando adequadamente é impraticável, sem mencionar o valor limitado. Se uma bomba perto da extremidade mais distante falhar, pode levar horas até que você chegue a ela. Se uma falhar atrás de você, talvez você não saiba até o dia seguinte.
Em casos como esse, não há rede local para acessar. As redes de celular padrão nas planícies são irregulares ou inexistentes em muitas áreas. Uma conexão via satélite poderia funcionar, mas seria muito cara, e essa conexão consome muita energia. Nesse caso, uma rede LPWA é exatamente o que é necessário.
Com um alcance de até dezenas de quilômetros, a rede de bombas pode se conectar de forma fácil e econômica. Embora a quantidade de dados transmitidos seja limitada, são necessários surpreendentemente poucos dados para fazer algo como fornecer o status de uma bomba de água. Um único número pode transmitir um status geral: um número para operação normal, uma série de outros para várias condições de erro e outro número pode significar o número de galões bombeados por dia. Esse sistema permitiria que os agricultores monitorassem todas as bombas da linha a partir de um console central. Uma condição de erro de superaquecimento, além de uma queda no número de galões bombeados, pode indicar uma bomba com defeito. Avisos antecipados como esse permitem que os técnicos sejam notificados com antecedência. Tudo isso a partir de uma pequena e periódica transmissão de dados.
Desde dispositivos localizados em estações meteorológicas no topo de montanhas e luzes em um complexo de estufas de vários acres até semáforos, sinais de cruzamento de trens e outros podem ser monitorados e, em alguns casos, até gerenciados, com os dados limitados e os requisitos de baixa potência do LPWA.
As notificações em tempo real significam uma solução de problemas mais rápida para que você possa agir antes que ocorram problemas mais sérios.
LoRaWAN é a sigla para Low-Power Long Range Wide Area Network (rede de longa distância de baixa potência). A LoRa Alliance é uma associação sem fins lucrativos que define e implementa o protocolo LoRaWAN. Atualmente, não existe um protocolo dominante ou padronizado para redes LPWA, e essa aliança busca mudar isso. Alguns grandes nomes da tecnologia são membros da LoRa Alliance, incluindo Alibaba, Cisco, IBM, Charter Communications e SoftBank.
O protocolo LoRaWAN é um padrão aberto, embora atualmente apenas uma empresa fabrique chips que usam o protocolo. O TI foi projetado para usar uma topologia estrela-das-estrelas. Os dispositivos se conectam a gateways, e os gateways se conectam de uma maneira mais tradicional em redes IPS conectadas regularmente.
O protocolo define três tipos de classes. A classe A usa a menor potência e deve ser suportada em todos os dispositivos LoRaWAN. Os dispositivos de classe A são assíncronos e a comunicação sempre se origina no dispositivo final. Depois de enviar o uplink, abre-se uma pequena janela na qual as respostas podem ser enviadas, criando a possibilidade de comunicações bidirecionais. Além das conexões iniciadas pelo ponto final, os dispositivos Classe B são sincronizados com sinais periódicos ou beacons. Essas sincronizações criam janelas de escuta durante as quais o dispositivo pode receber sinais ou comandos, criando uma comunicação bidirecional real. A classe C passa a manter um receptor aberto o tempo todo no dispositivo final. Isso oferece um canal de comunicação bidirecional e de baixa latência. No entanto, isso aumenta significativamente o uso de energia, de modo que essa classe só é adequada quando há uma fonte de alimentação contínua disponível.
A Sigfox, uma rede LPWA proprietária oferecida por uma empresa francesa, é atualmente uma das maiores redes LPWA. A TI usa uma frequência não licenciada nas bandas de 868 MHz ou 902 MHz. Caracterizada como uma transmissão de rádio de banda ultralarga, ela oferece cobertura de longa distância, mas com uma baixa taxa de transferência de dados. Cada mensagem tem 100 Hz de largura com taxas de transferência de 100 ou 600 bits por segundo, dependendo da região. A comunicação de volta ao dispositivo é limitada, o que a torna uma opção ruim para aplicativos que exigem comunicações bidirecionais. Cada mensagem de uplink tem uma carga útil máxima de 12 bytes.
Em áreas rurais, ele pode, teoricamente, comunicar-se por distâncias de até mais de 30 milhas usando uma arquitetura de estilo de rede em estrela, em que qualquer transmissão pode ser recebida por qualquer estação base dentro do alcance. Ao contrário dos protocolos abertos, a única maneira de obter e usar o Sigfox é por meio da empresa.
Com um alcance de 3 a 6,5 milhas (sem linha de visão), a Ingenu oferece uma tecnologia chamada RPMA (Random Phase Multiple Access). Esse grande alcance de cobertura permite que a empresa cubra a área de Dallas/Fort Worth com apenas 17 torres de rede. De acordo com a empresa, a RPMA pode penetrar no concreto e até mesmo se conectar a dispositivos subterrâneos.
Essa tecnologia funciona no espectro de 2,4 GHz, o que pode sujeitá-la à interferência de outros dispositivos que usam o mesmo espectro, como TI, Bluetooth e telefones sem fio mais antigos. No entanto, a vantagem é que o espectro de 2,4 GHz está aberto para uso em muitos países diferentes, tornando um tipo de rádio de sinal único utilizável em todo o mundo.
Um comunicado à imprensa de 2017 alega cobertura em 29 países em seis continentes diferentes.
A LTE-M é uma tecnologia baseada em celular 4G. Esse padrão é publicado pelo 3rd Generation Partnership Project (3GPP) em sua especificação Release 13. Normalmente, os dispositivos celulares não são de baixo consumo de energia, como sabe qualquer pessoa que tenha que carregar constantemente seu telefone celular. Para criar a parte de "baixo consumo de energia" da promessa do LPWA, esses chips sem fio 4G especializados são projetados com um modo de economia de energia. Basicamente, o chip fica desligado a maior parte do tempo, acordando apenas em intervalos predeterminados. Além disso, os chips são half-duplex, portanto, usam menos energia mesmo quando estão ligados, mas são muito mais lentos do que uma conexão 4G tradicional. A taxa máxima de dados é de aproximadamente 100 kbits/s. Essa versão do LPWA oferece conectividade de baixo consumo de energia, mas somente onde é possível obter uma conexão LTE. A preocupação com tecnologias de celular como essas é a tendência de que elas sejam descontinuadas pelas operadoras mais rapidamente do que os dispositivos saem de campo. Por exemplo, é improvável que qualquer dispositivo que dependa de uma conexão 2G funcione em quase qualquer lugar dos EUA onde essas redes tenham sido desativadas e atualizadas.
Empresas como a IBM estão visivelmente ausentes da Força-Tarefa LTE-M que trabalha nesse padrão. No entanto, a Força-Tarefa LTE-M inclui muitas das operadoras de celular do mundo, inclusive as quatro principais operadoras dos EUA - Verizon, AT&T, Sprint e T-Mobile - bem como vários fabricantes de chips, como a Qualcomm.
NB-IoT significa Narrowband Internet of Things (Internet das Coisas de banda estreita). A NB-IoT também vem da especificação 3GPP Release 13 e às vezes é conhecida como CAT M2. A TI usa modulação DSSS para comunicações. A NB-IoT oferece uma taxa de download de pico de 250 kbit/s e uma taxa de uplink de 250 kbit/s com vários tons ou 20 kbit/s com tom único. Os dispositivos NB-IoT podem ter uma bateria com duração de 10 anos.
A NB-IoT usa uma nova camada física e sinais. Como resultado, ela pode coexistir com equipamentos em redes 2G, 3G e 4G. As operadoras que estão implantando redes NB-IoT atualmente incluem a China Mobile, a China Telecom, a Deutsche Telekom e outras.
Um artigo recente sugere que esse padrão pode ganhar impulso quando a Ericsson lançar uma rede NB-IoT na Índia.
Fora dos Estados Unidos, muitas redes de celular usam o protocolo GSM. Da mesma forma que o protocolo LTE-M usa a rede LTE existente com baixo consumo de energia, o protocolo Extended Coverage-GSM-IoT (EC-GSM-IoT) tem como objetivo aproveitar as redes GSM existentes em todo o mundo. Muitos casos de uso podem suportar uma duração de bateria de até 10 anos.
Como um protocolo baseado em GSM, ele pode coexistir com redes 2G, 3G e 4G.
O Weightless é um padrão aberto que opera no espectro não licenciado. Isso o torna independente da operadora e do fornecedor de hardware, mas também menos comercial. Há três tipos de Weightless. O Weightless-W usa as frequências não licenciadas entre as frequências das estações de TV. O Weightless-N usa o protocolo de banda estreita não licenciado. O Weightless-P usa a faixa de banda estreita de 12,5 kHz e oferece comunicações bidirecionais.
Uma oferta interessante da Haystack Technologies, o DASH7 foi projetado para conectar coisas que se movem. O DASH7 usa a frequência de 433 MHz. Isso permite alcances entre 200 metros e 2 km, dependendo da localização e de outras dependências. Embora a duração da bateria da DASH7 seja medida em anos para a maioria dos casos de uso, a empresa observa que ela pode até mesmo coletar energia de células solares.
Em termos de segurança, a DASH7 oferece suporte à camuflagem de dispositivos para ocultá-los de scanners, bem como à criptografia AES 128 com criptografia de chave pública.
Outras tecnologias LPWA estão em vários estágios de desenvolvimento ou implementação. É provável que mais tecnologias continuem a se desenvolver até que surja um grupo de participantes dominantes ou que as especificações padrão sejam mescladas. Algumas das outras tecnologias incluem:
Problemas recentes de segurança da IoT foram manchetes. Por exemplo, o ataque Mirai funcionou para obter acesso a dispositivos finais. Esses ataques podem ser menos úteis em muitos dispositivos de IoT que usam LPWA devido à menor largura de banda e ao fato de que os dispositivos conectados podem não ser "inteligentes" o suficiente para serem úteis a um hacker. No entanto, ataques man-in-the-middle são possíveis em muitas redes LPWA. O potencial de abuso é menos espetacular, mas igualmente importante. Espionar os concorrentes recebendo os relatórios de seus dispositivos é uma possibilidade e, ao contrário do hacking tradicional, como esses sinais são transmitidos pelo ar, não haveria como saber que as comunicações foram comprometidas.
Um problema é que os próprios dispositivos finais geralmente não são capazes de fornecer sua própria criptografia. Um hash compartilhado pode ser uma boa solução, exceto pelo fato de que muitas redes exigem tamanhos de pacotes muito pequenos para implementar um hash longo o suficiente para a segurança contínua. Por exemplo, a tecnologia Sigfox LPWA oferece apenas uma assinatura digital de 16 bits, que está muito abaixo do padrão do setor de 128 bits. A LoRaWAN, no entanto, oferece criptografia e autenticação AES de 128 bits.
As tecnologias baseadas em celular, como LTE-M, NB-IOT e EC-GSM-IoT, aproveitam a autenticação da rede existente.
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Embora existam muitas possibilidades para as redes LPWA, alguns conceitos estão mais estabelecidos do que outros.
Há muitos aplicativos na área de gerenciamento de estacionamento. Um sensor em uma vaga de estacionamento ou próximo a ela pode relatar se a vaga está ocupada ou não. Os dados podem então ser usados para alimentar vários aplicativos, inclusive placas que mostram quantas vagas estão disponíveis em um nível de garagem. Ou em aplicativos que mostram onde há parquímetros abertos, bem como interfaces que informam a uma cidade onde um carro está estacionado em um parquímetro há muito tempo. Nesse aplicativo, a baixa potência é mais importante do que a longa distância para as redes LPWA. Ninguém quer assumir o ônus de trocar as baterias de centenas ou até milhares de monitores de vagas de estacionamento.
Um simples medidor de pressão que comunica sua leitura atual pode ajudar a identificar um vazamento antes mesmo de ele ser relatado. Para tubulações que se estendem por quilômetros, a capacidade de se comunicar por longas distâncias sem uma rede existente é fundamental, e a vida útil da bateria precisa ser medida em anos. Em uma cidade, o mesmo sinal que fornece comunicação de longa distância em um ambiente rural pode fornecer comunicação subterrânea, permitindo o monitoramento de tubulações enterradas sob a cidade.
O rastreamento de remessas normalmente exige que a carga seja escaneada em cada ponto em que muda de mãos. Entre essas mudanças, presume-se simplesmente que a carga ainda está no mesmo build ou, quando em movimento, no mesmo caminhão ou trem. Com um palete inteligente, um ping pode atualizar continuamente não apenas a localização, mas também se o contêiner foi aberto, derrubado ou mal manuseado. O LPWA é necessário tanto para a comunicação de longa distância, enquanto a remessa está sendo transportada entre cidades, quanto para a longa duração da bateria, pois ninguém quer encontrar e trocar as baterias em paletes que são movimentados com frequência.
Há dezenas de milhares de luzes brilhando em calçadas de bairros, cruzamentos movimentados e trechos solitários de rodovias. Hoje em dia, o monitoramento geralmente consiste em nada mais do que alguém notar e fazer uma ligação telefônica. Com o LPWA, essas luzes podem informar a um centro de comando central se a lâmpada está funcionando ou se a luz está acesa no momento, o que pode melhorar o uso de energia e aumentar a segurança.
Outros usos incluem medidores inteligentes (residenciais e comerciais), bem como agricultura inteligente e sensores de fábricas e armazéns.
O PRTG é um software abrangente de monitoramento de rede e mantém o controle de toda a sua infraestrutura de TI.
O mercado de redes LPWA oferece várias opções. Alguns veem isso como fragmentação, enquanto outros o veem como um mercado em que as ofertas podem ser escolhidas com base no que é melhor para cada projeto específico. Por enquanto, embora a demanda por LPWA esteja crescendo, não há uma solução única disponível.
