Arquitetura LoRaWAN e fluxos de dados
Compreendendo o fluxo de dados
Existem quatro componentes principais para a arquitetura de qualquer rede LoRaWAN:
- Dispositivos finais (também chamados de nós)
- Gateways (também chamados de estações base)
- Servidor de rede
- Servidor de aplicação
Fluxo de dados LoRaWAN de ponta a ponta
Uplinks |
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O dispositivo final transmite uma mensagem que é recebida por todos os gateways dentro do alcance do rádio |
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Gateways encaminham a mensagem para o servidor de rede |
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O servidor de rede consolida todas as mensagens e cria uma única mensagem que inclui a qualidade do sinal recebido de cada gateway |
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O servidor de rede encaminha a mensagem para o servidor de aplicativos apropriado, com base no endereço do dispositivo final |
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O servidor de aplicativos descriptografa dados de aplicação (payload) |
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Downlinks |
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O servidor de aplicativos criptografa o payload e o encaminha para o servidor de rede |
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O servidor de rede seleciona o melhor gateway e, em seguida, envia uma resposta a ele para transmissão até o dispositivo final |
As redes LoRaWAN, principalmente, usam o método Aloha para comunicação entre dispositivos finais e seus servidores de rede associados. O método Aloha é um protocolo de acesso aleatório que permite a transmissão simultânea de dados por dispositivos finais usando o protocolo LoRaWAN e é uma técnica de comunicação simples em que cada dispositivo final individual tem prioridade igual e opera de forma independente.
Usando esse método Aloha, os dispositivos finais enviam dados por meio de um gateway para o servidor de rede apenas quando um ou mais de seus sensores percebem uma alteração específica em seu ambiente ou quando algum outro evento é acionado, como a expiração de um cronômetro. Depois que o dispositivo final envia o uplink, ele “escuta” uma mensagem de resposta da rede por um curto período de tempo após o uplink antes de voltar a dormir.
Os dispositivos finais passam a maior parte do tempo adormecidos. Durante esse tempo, eles geralmente consomem menos de um microampere de energia. Essa abordagem de economia de energia garante que os aplicativos alcancem uma vida útil de 10 a 15 anos com uma bateria muito pequena. Em contraste, uma abordagem de Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo (TDMA), usada em dispositivos não LoRaWAN, requer sincronização, que tem um custo de energia associado para os dispositivos finais, porque eles precisam estar ativados e transmitindo para garantir que permaneçam sincronizados.
Por exemplo, conforme mostrado no primeiro diagrama abaixo, em uma rede LoRaWAN, os dispositivos finais (ilustrados pelos ícones coloridos) transmitem pacotes para uma rede de forma assíncrona.
Componentes da arquitetura LoRaWAN: dispositivos finais
Em seguida, os pacotes transmitidos pelos dispositivos finais são captados por um ou mais gateways dentro da rede, conforme ilustrado aqui:
Componentes da arquitetura LoRaWAN: Gateways coletam pacotes enviados por dispositivos finais
Observação
Os gateways são simplesmente passagens para a rede principal e normalmente não requerem inteligência integrada para lidar com o tráfego LoRaWAN. Essa abordagem oferece duas vantagens principais:
- Os gateways podem ser muito simples e usar hardware barato.
- O roaming de célula para célula não é necessário. Os dispositivos finais transmitem pacotes sem presumir qual gateway os receberá. Além disso, vários gateways podem receber pacotes sem qualquer impacto no consumo de energia. Nenhum procedimento de transferência ou sincronização é necessário.
Além disso, os gateways são incorporados com um dispositivo de radiofrequência multicanal e multitaxa de dados que pode escanear e detectar pacotes em qualquer um dos canais ativos e, em seguida, demodular os pacotes
À medida que avançamos neste diagrama, você verá a conexão backhaul entre os gateways e o servidor de rede. Isso geralmente é um backhaul Ethernet, mas muitas implantações usam um backhaul celular 3G, 4G ou 5G. Além disso, algumas empresas do ecossistema LoRaWAN usam um backhaul de satélite para locais remotos, como aqueles sem cobertura de celular. A beleza do LoRaWAN é que ele faz poucas exigências sobre qual tecnologia é usada para um backhaul.
Continuando a desenvolver este diagrama, vemos que o Network Server é o componente central de qualquer rede LoRaWAN. Ele carrega toda a inteligência necessária para gerenciar a rede e despachar dados para outros servidores.
Componente Central de uma Rede LoraWAN: o Network Server
O servidor de rede é responsável por:
- Consolidação de mensagens: várias cópias do mesmo pacote de dados podem alcançar o servidor de rede por meio de vários gateways. O servidor de rede deve acompanhar isso, analisar a qualidade dos pacotes recebidos e informar o controlador de rede.
- Roteamento: Para mensagens enviadas do servidor para um dispositivo final (downlinks), o servidor de rede decide a melhor rota para enviar mensagens para um determinado dispositivo final. Normalmente, essa decisão é baseada em uma indicação de qualidade de link que é calculada com base na Indicação de Intensidade do Sinal Recebido (RSSI) e na Relação Sinal-Ruído (SNR) dos pacotes entregues anteriormente. No entanto, para regiões com restrição de ciclo de trabalho, a decisão de usar um gateway específico pode ser alterada se o gateway tiver esgotado seu ciclo de trabalho de transmissão (TX), resultando no uso do próximo melhor gateway.
- Controle de rede: a qualidade do link também pode ajudar o servidor de rede a decidir o melhor fator de espalhamento (isto é, velocidade de comunicação) para um determinado dispositivo final, implementando a funcionalidade Adaptive Data Rate (ADR), que é gerenciada pelo controlador de rede. (Para obter mais informações sobre ADR, consulte Compreendendo a taxa de dados adaptável LoRaWAN.)
- Supervisão de rede e gateway: os gateways geralmente se conectam ao servidor de rede por meio de um link de protocolo de Internet (IP) criptografado. Da mesma forma, a rede geralmente possui uma interface de comissão e supervisão de gateway, permitindo que os provedores de rede gerenciem seus gateways, lidem com situações de avaria, monitorem alarmes, etc.
Além disso, o servidor de rede se comunica com outros servidores para organizar roaming entre redes, links para servidores de aplicativos e muito mais.
O protocolo LoRaWAN é projetado para suportar diferentes tipos de implantações de rede. O(s) servidor(es) de rede e o(s) servidor(es) de aplicação são entidades lógicas que podem estar colocadas ou não, dependendo da implantação. Por exemplo, nos casos em que o provedor de rede e o provedor de aplicativos são a mesma entidade, o servidor de rede e o servidor de aplicativos podem estar colocados/integrados.
Fluxo de dados completo: os dados do sensor chegam ao servidor de aplicação
Para obter um exemplo de como os dados fluem por uma rede LoRaWAN, reserve alguns minutos para assistir a este vídeo:
(Tempo: 7:14 minutos)