Como escolher um padrão de comunicação para a rede IoT

Em um artigo anterior , os padrões de rede sem fio não foram considerados.
A questão de como os elementos da Internet das coisas estão interconectados é um dos mais importantes na construção de uma rede. As opções são possíveis aqui e tudo depende, é claro, dos objetivos do projeto.
Aspectos principais ao considerar as opções de conectividade de rede:

• Range. Rede para implantação no escritório ou em toda a cidade?
• Frequência Que penetração é necessária e qual é a imunidade a interferências?
• Taxa de transferência de dados. Que largura de banda é necessária? Com que frequência os dados são atualizados?
• Fonte de alimentação. Os dispositivos são alimentados por corrente ou bateria?
• Segurança Os dispositivos estão envolvidos em aplicativos de missão crítica?

Os dados estão resumidos em duas tabelas.





Far gama
LoRaWAN
LoRaWAN ou Long Range Wide Area Network foi introduzido como um centro de pesquisa de tecnologia de rede com eficiência energética da IBM Research ea empresa Semtech . A tecnologia é baseada no chip PHY Semtech LoRa (™).
LoRa opera nas bandas sub-gigahertz ISM (bandas de rádio industriais, científicas e médicas) de frequências não licenciadas. A arquitetura de rede é uma estrela, os dispositivos finais se conectam sem fio a um ou mais gateways e os gateways se conectam a um servidor de rede usando uma conexão IP padrão.
Para apoiar e disseminar a tecnologia, foi criada recentemente a LoRa Alliance , que inclui muitas empresas, incluindo a russaLAÇO .

Vantagens do LoRa:

• padrão aberto
• longo alcance
• alta penetração em áreas urbanas
• baixo consumo de energia, estimado em até 10 anos de duração da bateria AA
• várias frequências não licenciadas, como bandas ISM sub-GHz de 109 MHz, 433 MHz, 868 MHz, 915 MHz
• taxa de dados adaptativa
• suporta redes pessoais e sociais
• segurança abrangente e autenticação e autenticação integradas

Desvantagens do LoRa:

• baixa taxa de dados
• Semtech é o único fornecedor de chips
• sem roaming

Os hubs do LoRa são fornecidos por empresas como a MultiTech e redes públicas como a The Things Network já foram criadas .

Swift
sistema implementado pela empresa russa Swift -Telematika, próprio protocolo Marcato 2.0 é usado. A frequência pode ser adaptada à faixa ISM.
A tecnologia é, em certa medida, semelhante à tecnologia LoRa, com todos os prós e contras deste último. A diferença fundamental: LoRa usa codificação de banda larga, enquanto STRIZ usa modulação de banda estreita. Segundo a empresa, essa modulação possibilita o uso da banda do espectro com muito mais eficiência, aumenta a sensibilidade e a eficiência energética e reduz os custos.
A rede sem fio STRIZH é implantada em Moscou com 100% de cobertura, bem como parcialmente coberta na região de Moscou, São Petersburgo e algumas outras cidades e possui mais de 200 estações-base. Modems de rádio, estações base e contadores e sensores com modems embutidos são fabricados e vendidos.

O SigFox
System foi construído pela empresa com o mesmo nome, fundada na França em 2009. Ele usa a tecnologia Ultra Narrow Band (UNB), a mesma tecnologia usada para se comunicar entre submarinos durante a Segunda Guerra Mundial. Essa tecnologia foi originalmente projetada para comunicação com baixas taxas de dados.
Sigfoxatualmente usa a banda ISM européia mais popular em 868 MHz (conforme definido pelos padrões ETSI e CERT) e 902 MHz nos EUA (conforme definido pela FCC), dependendo de regulamentos regionais específicos. O sistema é implantado usando os recursos das redes celulares modernas.
O dispositivo pode enviar até 140 mensagens por dia e cada mensagem pode conter até 12 bytes de dados úteis. 12 bytes cobrem as necessidades de dispositivos que transmitem dados, como localização do dispositivo, índice de consumo de energia, alarme ou qualquer outro tipo de informação sensorial básica. Você também pode enviar até 4 mensagens de 8 bytes de dados úteis para cada dispositivo por dia. Para receber mensagens, o dispositivo deve solicitar dados do servidor, isso deve ser programado para eventos específicos ou por um horário específico. 8 bytes enviados para o dispositivo permitem enviar dados de configuração, se necessário, você pode otimizar a duração da bateria. Isso é suficiente se não houver necessidade de comunicação bidirecional completa.
Ao contrário de seus concorrentes, a rede já foi implantada em toda a Europa e América do Norte e abrange dezenas de milhares de dispositivos. A empresa está certificando dispositivos SigFox Ready ™.

Benefícios SigFox:

• ótima cobertura
• alta penetração em áreas urbanas
• consumo de energia ultrabaixo, estimado em até 20 anos de operação do sensor com 2 pilhas AA
• flexibilidade no design da antena
• Protocolo SigFox compatível com transceptores existentes
• baixo custo

Desvantagens do SigFox:

• baixa taxa de dados
• dependência de infraestrutura celular
• imunidade a ruído limitada

Wheitghless
Weightless é um grupo de padrões de comunicação de tecnologia aberta LPWAN (Low-Power Wide Area Network) para a troca de dados entre a estação base e os dispositivos. Os padrões são desenvolvidos pela organização sem fins lucrativos SIG sem peso. Atualmente, três padrões estão disponíveis - Weightless-N, Weightless-P e Weightless-W. Frequências sub-gigahertz não licenciadas são usadas.
O Weightless-N usa a tecnologia Ultra Narrow Band (UNB), é um padrão de comunicação unidirecional. O padrão mais econômico do grupo, tanto em termos de custo quanto de consumo de energia.
O Weightless-W usa frequências TVWS (espaço em branco da TV, frequências de espectro de televisão não utilizadas) onde permitido pelos regulamentos locais. Isso aumenta o custo do terminal e aumenta o consumo de energia.
Weightless-P - o último dos padrões, lançado em julho de 2015, totalmente bidirecional, suporta todas as principais faixas SRD / ISM (dispositivos de curto alcance / industriais, científicos e médicos), as mais produtivas do grupo, com vários recursos adicionais, como roaming, paginação , codificação adaptada etc. Portanto, possui um alcance um pouco menor e maior consumo de energia.

Benefícios sem peso:

• padrão aberto
• longo alcance
• alta penetração em áreas urbanas
• baixo consumo de energia, estimado em até 10 anos de operação do sensor (Weightless-N)
• várias frequências não licenciadas (P sem peso)
• suporta redes pessoais e sociais
• alta segurança
• baixo custo (especialmente sem peso-N)

Desvantagens sem peso:

• baixa taxa de dados

Nuel
Neul é baseado no protocolo Weightless e usa frequências ISM e TVWS não licenciadas.
Em setembro de 2014, a Neul foi adquirida pela Huawei e tornou-se uma subsidiária. Afirma-se que Neul e Huawei estão trabalhando juntos em uma tecnologia inovadora que permite que a reutilização de redes de operadoras móveis cubra amplamente a energia de comunicação ultrabaixa para aplicativos de IoT.

Vantagens de Neul:

• longo alcance
• alta penetração em áreas urbanas
• baixo consumo de energia, estimado em até 15 anos de operação do sensor
• vai bem com outros padrões em frequências adjacentes

Desvantagens de Neul:

• baixa taxa de dados
• tecnologia proprietária

Nwave A
empresa britânica com escritórios em Londres, EUA e Dinamarca é liderada pelo graduado do MIPT Yuri Birchenko . A
tecnologia Nwave é semelhante à Neul, pois também é baseada no protocolo Weightless e é comparável ao SigFox por ser proprietária. O Nwave às vezes é descrito como uma VPN (rede virtual privada) dentro do tráfego público usando o padrão N sem peso. Ele usa a tecnologia Ultra Narrow Band (UNB) e frequências ISM não licenciadas.
A empresa produz e vende modems de rádio, estações base e sensores com modems e kits internos para desenvolvedores.
A descrição da tecnologia e as fotos dos equipamentos Nwave são muito semelhantes às tecnologias e equipamentos da empresa russa STRIZHTelemática.

Benefícios do Nwave:

• longo alcance
• alta penetração em áreas urbanas
• consumo de energia muito baixo
• suporta redes pessoais e sociais
• alta segurança
• baixo custo

Desvantagens do Nwave:

• baixa taxa de dados
• tecnologia proprietária

Dash7 O
Dash7 Alliance Protocol (ou D7A) é um protocolo sem fio aberto que opera nas frequências de 433 MHz, 868 MHz e 915 MHz de bandas ISM / SRD não licenciadas. A criptografia AES de 128 bits e a transferência de dados de até 167 kbit / s são suportadas, com um pacote de dados máximo de 256 bytes.
O protocolo é promovido pela Dash7 Alliance , sem fins lucrativos , com sede na Bélgica. O protocolo é baseado no padrão internacional ISO / IEC 18000-7, que descreve a interface para RFID ativo e é usado na logística militar dos EUA (OTAN). A versão atual do protocolo DASH7 não é mais compatível com o padrão ISO / IEC 18000-7.

Vantagens do Dash7:

• padrão aberto
• gama suficientemente grande
• alta penetração em áreas urbanas
• baixo consumo de energia
• várias frequências não licenciadas

Desvantagens do Dash7:

• baixa taxa de dados
• penetração média na água
• requisitos específicos de antena

GSM, LTE
O consórcio 3GPP (Projeto de Parceria de 3ª Geração), desenvolvendo especificações para telefonia móvel, trabalha há muito tempo para melhorar o GSM (Sistema Global de Comunicações Móveis, originalmente Groupe Spécial Mobile) e LTE (Evolução de Longo Prazo) em termos de IoT. Antes de tudo, estas são as respostas para os desafios: penetração, baixo consumo de energia, relação custo-benefício e escalabilidade. As próximas melhorias estão relacionadas à Versão 13, prevista para março de 2016, e declaradas dignas de concorrência com LoRa e SigFox. Segundo o consórcio, era quase possível resolver todos os problemas declarados, incluindo a conservação de energia. E o custo do módulo M2M deve ser de US $ 4,5 para GSM e US $ 5 para LTE-M em 2016.

Vantagens de GSM, LTE:

• funcionando na infraestrutura existente de operadoras de telefonia móvel
• generalizada no mundo
• alta taxa de dados
• suporte para redes pessoais e públicas
• alta segurança integrada
• roaming

Desvantagens do GSM, LTE:

• frequências licenciadas
• altas taxas

NB-LTE e NB-CIoT A
Nokia Networks, Ericsson e Intel se uniram para promover a tecnologia NB-LTE (Narrow-Band Long-Evolution Evolution). Sprint, Verizon Wireless, Alcatel-Lucent, Qualcomm, Samsung, Sony e ZTE também se tornaram parte dessa iniciativa.
O NB-LTE é visto por alguns especialistas como um desafio direto para a Huawei Technologies, que está desenvolvendo a tecnologia IoT celular de banda estreita (NB-CIoT). O NB-CIoT já recebeu suporte de pesos pesados ​​como Vodafone, T-Mobile, TeliaSonera e China Unicom.
A principal diferença entre NB-LTE e NB-CIoT se resume a como as redes LTE existentes podem ser reorientadas para a IoT. A Huawei se recusou a comentar sobre isso, mas os críticos do NB-CIoT afirmam que essa tecnologia requer novos chipsets e parece não ter compatibilidade com redes LTE anteriores à versão 13.
Segundo um porta-voz da Nokia Por outro lado, o NB-LTE pode ser totalmente integrado às redes LTE existentes e opera dentro das bandas LTE existentes. Em outras palavras, o NB-LTE alavanca o ecossistema existente e, portanto, promete maiores economias de escala.
De resto, ambas as tecnologias conseguiram resolver o problema da economia de energia: a duração reivindicada do dispositivo a partir da bateria é de 10 anos. Além disso, a penetração em edifícios densos foi aprimorada várias vezes e o número de possíveis conexões de dispositivos foi aumentado em 2 ordens de magnitude. O custo do módulo M2M é estimado em US $ 4 em 2016.
As vantagens e desvantagens dessas tecnologias crescem naturalmente do GSM e do LTE.



Próximo
alcance sem fio de RF
Os sensores e atuadores de RF sem fio são baratos e fáceis de implantar. Eles são caracterizados pelo consumo de energia ultrabaixo. O alcance é de até 100 m na linha de visão direta e até 500 m com antenas externas. Eles geralmente operam em uma frequência de 315 ou 433 MHz com uma velocidade de 10 - 115,2 kbit / se suportam criptografia AES de 128 bits.

Bluetooth Low Energy (BLE) O
Bluetooth Low Energy (BLE) é uma tecnologia de rede pessoal sem fio desenvolvida e implementada usando o Bluetooth Special Interest Group. No momento, a tecnologia Bluetooth está presente em todas as plataformas móveis, equipadas com milhões de novos dispositivos. Essa tecnologia é bem suportada e confiável para comunicações próximas. Geralmente usado para comunicação entre smartphones e outros dispositivos eletrônicos pessoais, raramente domésticos. Em particular, a tecnologia iBeacon é baseada nessa tecnologia.

Benefícios do BLE:

• generalizada no mundo
• alta taxa de dados
• alta confiabilidade

Desvantagens do BLE:

• alguns problemas de autenticação e privacidade
• baixa penetração em áreas urbanas
• localização do dispositivo não determinada

Wi-Fi
Wi-Fi (ou WiFi, originalmente da English Wireless Fidelity) é uma tecnologia de rede sem fio local que permite que dispositivos eletrônicos se conectem à rede, principalmente usando frequências de rádio ISM de 2,4 GHz e 5 GHz. A tecnologia é desenvolvida pela Wi-Fi Alliance baseada no padrão 802.11 do IEEE (Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos). Wi-Fi é uma marca registrada da aliança com o mesmo nome, que inclui mais de 600 empresas. Essa tecnologia de fato tornou-se quase universal; bilhões de dispositivos Wi-Fi são lançados anualmente no mundo.
O Wi-Fi foi originalmente projetado para comunicações locais. Os modernos pontos de acesso com antenas de haste podem fornecer um alcance de até 100 m sem obstáculos. Existem soluções usando um amplificador e uma antena semi-parabólica com um alcance superior a 20 km.
Essa tecnologia não fica parada, em constante evolução. Portanto, a tecnologia Wi-Fi Direct permite que dispositivos Wi-Fi se conectem diretamente sem um ponto de acesso e rede. Os dispositivos podem se conectar entre si ou a um grupo de vários dispositivos ao mesmo tempo. Os dispositivos com certificação Wi-Fi Direct são conectados de maneira fácil e simples: dois dispositivos compatíveis com NFC juntos ou inserindo um código PIN. Além disso, todas as conexões Wi-Fi diretas são protegidas por WPA2.
As conexões Wi-Fi podem estar quebradas ou a velocidade da conexão pode ser reduzida se houver outros dispositivos semelhantes na mesma área. Muitos pontos de acesso 802.11be 802.11g de 2,4 GHz, por padrão, operam nos mesmos canais na inicialização inicial. A poluição por Wi-Fi pode ser um problema em áreas de alta densidade, como grandes complexos residenciais ou edifícios de escritórios com muitos pontos de acesso Wi-Fi. Além disso, muitos outros dispositivos usam a banda de 2,4 GHz: fornos de microondas, dispositivos ZigBee, dispositivos Bluetooth, telefones sem fio, babás eletrônicas, que podem causar interferência adicional significativa. Isso também é um problema quando municípios ou outras grandes instalações (como universidades) procuram fornecer uma área de cobertura Wi-Fi maior.
O documento da Cisco e da Apple, lançado recentemente, “Práticas recomendadas para empresas da Apple para dispositivos Apple na LAN sem fio da Cisco” contém recomendações conjuntas sobre o uso de dispositivos iPhone, iPad, iPod com um sistema operacional iOS 9.0 ou superior. Conforme declarado neste documento, "a banda de 2,4 GHz não é considerada adequada para nenhum negócio e / ou aplicativos empresariais críticos". Para redes sem fio que usam dispositivos Apple, as empresas são aconselhadas a usar apenas frequências de 5 GHz (padrão 802.11a / n / ac). No entanto, a banda de 2,4 GHz continua sendo o padrão principal para a maioria dos dispositivos móveis, e o uso de frequências de 5 GHz para Wi-Fi não é permitido em todos os países.
O padrão de criptografia WEP originalmente introduzido pode ser relativamente facilmente quebrado, mesmo com a configuração correta (devido à fraqueza do algoritmo). Os dispositivos mais novos suportam protocolos de criptografia de dados WPA e WPA2 mais avançados. Muitas organizações usam criptografia adicional para se proteger contra invasões. No momento, o principal método de hackear o WPA2 é a adivinhação de senha, por isso é recomendável usar senhas alfanuméricas complexas para complicar a tarefa de adivinhar a senha o máximo possível. Além disso, os padrões Wi-Fi não fornecem criptografia de dados transmitidos em redes abertas. Isso significa que todos os dados transmitidos por uma conexão sem fio aberta podem ser ouvidos pelos invasores usando programas sniffer. Portanto,Ao usar pontos de acesso gratuitos, você não deve transferir dados críticos para a Internet.

Benefícios de Wi-Fi:

• onipresente no mundo
• compatibilidade garantida
• alta taxa de dados
• alta confiabilidade

Desvantagens do Wi-Fi:

• interferência e interferência
• alguns problemas de segurança
• baixa penetração em áreas urbanas
• alta intensidade de energia
• o alcance e as restrições são diferentes em diferentes países, muitos países exigem o registro de redes Wi-Fi operando ao ar livre

Wi-Fi HaLow
Recentemente, na CES 2016, a Wi-Fi Alliance anunciou o desenvolvimento de um novo padrão sem fio para a Internet das Coisas. O novo padrão é chamado HaLow e ainda não foi aprovado pela especificação IEEE 802.11ah. A certificação dos primeiros dispositivos compatíveis com Wi-Fi HaLow começará em 2018, no entanto, os produtos com suporte para a nova especificação aparecerão no mercado mais cedo.
Uma frequência não licenciada de 900 MHz será usada para conectar o HaLow Wi-Fi. Isso aumentará significativamente a penetração do sinal em prédios urbanos, e seu raio de ação será muito maior que o do padrão sem fio moderno, de até 1 quilômetro. Ao mesmo tempo, o retorno do "alcance" é uma baixa potência de sinal. A largura de banda Wi-Fi alta será muito menor do que o máximo de Wi-Fi 802.11ac (7 Gb / s), velocidade estimada: 50 kbit / s - 18 Mbit / s.
De acordo com a aliança, a HaLow fará uso extensivo dos protocolos Wi-Fi existentes, o que fornecerá um alto nível de compatibilidade e segurança.

Thread A
Thread A Grupo écriado pela OSRAM, QUALCOMM, ARM, Samsung, Nest Labs e outros (mais de 200 empresas) com um objetivo - desenvolver a melhor maneira de conectar e gerenciar dispositivos em casa. Essa organização sem fins lucrativos promove o Thread Networking Protocol e certifica produtos. O primeiro lançamento público foi em 13 de julho de 2015. (Revisão 2.0). Mais de 30 dispositivos serão certificados em um futuro próximo.
O Thread, implementado como um complemento ao Wi-Fi, possui limitações claras para uso em automação residencial em termos de segurança e consumo de energia. O protocolo é baseado no padrão 6LoWPAN (IPv6 através de redes de área pessoal sem fio de baixa potência) - o padrão para comunicação IPv6 (a nova versão do protocolo IP com um comprimento de endereço de 128 bits em vez de 32 no IPv4) em redes pessoais sem fio de baixa potência do padrão IEEE802.15.4. Para dispositivos existentes que suportam o padrão IEEE802.15.4, ele pode ser facilmente atualizado para o Thread. O protocolo fornece segurança da classe bancária AES, além da confiabilidade de uma rede mesh projetada especificamente para automação residencial. Você pode conectar mais de 250 dispositivos autorizados à mesma rede.O amplo suporte para o "modo de suspensão" permite a operação do dispositivo por muitos anos, mesmo com uma única bateria AA.

Benefícios do segmento:

• além de wifi
• desenvolvimento especificamente para eletroeletrônicos
• rede confiável de autocorreção
• uso de padrões abertos comprovados
• alta segurança
• baixo consumo de energia

Desvantagens do Thread:

• interferência e interferência
• baixa penetração em áreas urbanas
• o alcance e as restrições são diferentes em diferentes países, muitos países exigem o registro de redes Wi-Fi operando ao ar livre

ZigBee
ZigBee é uma especificação dos protocolos de rede de nível superior regulamentados pelo padrão IEEE 802.15.4, que apareceu em 2003. O ZigBee e o IEEE 802.15.4 descrevem redes pessoais sem fio (WPANs). A especificação ZigBee é focada em aplicativos que exigem transferência de dados segura garantida em velocidades relativamente baixas e na possibilidade de operação a longo prazo de dispositivos de rede a partir de fontes de energia independentes. A tecnologia ZigBee suporta não apenas topologias de rede simples (ponto a ponto, árvore e estrela), mas também topologia de malha auto-organizável e auto-reparável com roteamento de retransmissão e mensagem.
O ZigBee está sendo desenvolvido pela ZigBee Alliance, que inclui mais de 300 empresas. A Aliança também certifica equipamentos e dispositivos. Em 16 de dezembro de 2015, a Aliança anunciou a ratificação do ZigBee 3.0, que leva em consideração os requisitos atuais de IoT e suporta todas as versões anteriores e centenas de milhões de dispositivos já vendidos.

Vantagens do ZigBee:

• capacidade de auto-organização e auto-cura
• facilidade de implantação
• imunidade a ruídos altos
• alta segurança
• frequências não licenciadas
• baixo consumo de energia (incluindo o modo de suspensão para dispositivos)

Desvantagens do ZigBee:

• baixa velocidade
• a maior parte do tráfego é gasta na transmissão de pacotes contendo informações de endereço, informações de sincronização etc.
• baixa penetração em áreas urbanas
• nível de padronização insuficientemente alto e falta de uma única plataforma de software e hardware para o desenvolvimento de aplicativos complexos

Z-Wave O
Z-Wave é um protocolo de comunicação sem fio proprietário projetado principalmente para automação residencial. A tecnologia utiliza módulos de RF de baixa potência e miniatura que são incorporados a eletrônicos de consumo e vários dispositivos. O Z-Wave opera na faixa de frequências de até 1 GHz e é otimizado para transmitir comandos de controle simples com baixos atrasos. A solução Z-Wave é baseada em uma rede em malha auto-organizada, na qual cada nó ou dispositivo pode receber e transmitir sinais de controle para outros dispositivos de rede usando nós vizinhos intermediários.
Os chips de rádio Z-Wave são fornecidos pela Sigma Designs e Mitsumi. Uma característica distintiva do Z-Wave é que todos esses produtos são compatíveis entre si. A compatibilidade é confirmada pelo processo de certificação Z-Wave ou Z-Wave Plus. A certificação é fornecida pela Sigma Designs , que certificou mais de 1350 produtos Z-Wave. Globalmente, o protocolo é suportado pela Z-Wave Alliance , que reúne mais de 325 fabricantes.

Vantagens do Z-Wave:

• desenvolvimento especificamente para eletroeletrônicos
• capacidade de auto-organização e auto-cura
• facilidade de implantação
• imunidade a ruídos altos
• alta segurança
• frequências não licenciadas
• falta de interferência com vários dispositivos de 2,4 GHz
• baixo consumo de energia

Desvantagens do Z-Wave:

• baixa velocidade
• 30 , Z-Wave ,
• Sigma Designs

Obviamente, em um artigo, é difícil descrever todos os protocolos e tecnologias existentes com toda a sua diversidade. Então, nos bastidores, por exemplo, ANT + , WirelessHART , Ingenu , Telensa .
Note-se que alguns fabricantes ainda procuram aproximar de alguma forma a tecnologia e sua aplicação. Módulos de modo duplo estão disponíveis no mercado, como o módulo NeReus LoRa / Sigfox . Além disso, conforme declarado pela empresa STRIZH-Telematics, a tecnologia STRIZH oferece total compatibilidade com LoRa.

Em conclusão, de acordo com a Machina Research, um grupo consultivo da M2M, até 2024, haverá um total de 27 bilhões de conexões M2M no mundo, 14% das quais serão representadas por conexões LPWAN como a SigFox e seus concorrentes como LoRa e Neul.

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Source: https://habr.com/ru/post/pt390825/