1. Introdução
As tecnologias LPWA (área ampla de baixa potência) atendem às necessidades do mercado da Internet das Coisas (IoT) com dispositivos baratos que mantêm a bateria por um longo tempo e redes de longa distância baratas, mantendo um grande número de conexões. Existem várias opções para a construção de redes LPWA, mas as tecnologias LoRaWAN e NB-IoT mostraram a maior dinâmica e receberão a maior participação de mercado da LPWA nos próximos anos. Neste texto, essas tecnologias serão consideradas em termos de características e diferenças comuns. Em seguida, passaremos a exemplos de uso do LoRaWAN em mercados verticais, destacando as vantagens exclusivas do LoRaWAN. Opções possíveis também serão consideradas quando o LoRaWAN e o NB-IoT trabalharem juntos para obter os maiores benefícios.
Comparação de LoRaWAN e NB-IoT em termos técnicos
O LoRaWAN é um sistema LPWAN de arquitetura aberta desenvolvido e padronizado pela associação sem fins lucrativos das empresas LoRa Alliance, que possui mais de 500 membros. LoRa é uma tecnologia de modulação usada no nível físico, que permite a transmissão de dados com eficiência energética de longo alcance usando modulação CSS (Chirp Spread Spectrum), que distribui sinais de banda estreita por um canal estendido, o que garante alta imunidade a ruídos e baixa relação sinal / ruído. O NB-IoT, por sua vez, opera na faixa licenciada e, como o LTE, usa o acesso múltiplo por divisão de frequência de uplink (FDMA), modulação de downlink FDMA ortogonal (OFDMA) e QPSK (Quadrature Phase Shift Keying). Embora ambas as tecnologias possam competir em qualidade de serviço (QoS), os aplicativos de IoT que requerem comunicação frequente se sentirão melhor com o NB-IoT, que não tem restrições no ciclo de trabalho na faixa licenciada, mas o custo total do fornecimento de um sistema é mais caro que o LoRaWAN.
Os dispositivos LoRaWAN e NB-IoT consomem menos energia quando entram no modo de suspensão. Mas, enquanto opera como um protocolo síncrono, o NB-IoT consome significativamente mais energia que o LoRaWAN, que é um protocolo assíncrono, e ao medir com a mesma taxa de transferência, o NB-IoT consome a corrente de pico mais alta necessária para a modulação OFDM / FDMA. Apesar disso, as características de ambas as tecnologias são importantes na implementação de muitas soluções práticas que exigem alta penetração em ambientes fechados e anos de vida útil da bateria.
Para clientes corporativos que desejam implantar uma rede híbrida usando infraestrutura de rede pública e privada, é melhor usar o LoRaWAN por vários motivos. Com redes LoRaWAN privadas, as empresas não são limitadas pelos motivos comerciais e financeiros da transferência de dados. Sempre que possível, o acesso à rede corporativa pode ser complementado pela rede pública LoRaWAN. Atualmente, a conectividade NB-IoT é oferecida em áreas onde a cobertura celular já está disponível, mas os custos de implantação são mais altos do que o LoRaWAN, pois a implantação de uma rede privada exigirá a compra ou locação do espectro de RF das operadoras de rede. Outro fator que afeta o custo e o desempenho relativos do LoRaWAN e do NB-IoT é a melhor penetração do LoRaWAN em ambientes fechados. A perda máxima de comunicação (valor MCL) para o uplink e o downlink do LoRaWAN é de 165 dB; o MCL para NB-IoT pode variar de 145 dB a 169 dB para o uplink e 151 dB para o downlink, dependendo da classe do dispositivo. Além disso, o menor desempenho energético do link de comunicação NB-IoT leva a uma diminuição na vida útil da bateria.
Mais dispositivos LoRa que NB-IoT
De acordo com a LoRa Alliance, em abril de 2019, existem mais de 113 redes LoRaWAN em 55 países em todo o mundo em vários estágios de implantação comercial, em comparação com 90 redes NB-IoT. De acordo com a LoRa Alliance, existem 118 dispositivos LoRaWAN certificados pela LoRa Alliance. Ao mesmo tempo, de acordo com a Associação Global de Fornecedores Móveis, dispositivos comerciais NB-IoT e CAT-M no total 43. Segundo a Semtech Corporation, em abril de 2019, o número total de dispositivos finais LoRa atingiu 97 milhões. O crescimento das soluções LoRaWAN está acelerando porque o ecossistema de dispositivos está se expandindo rapidamente para cobrir uma ampla gama de mercados verticais.
Utilitários
O LoRaWAN ganhou popularidade graças aos serviços públicos que conectam medidores inteligentes de gás e água. A China foi uma das primeiras a introduzir a tecnologia LoRa para projetos de medição inteligente, respondendo por cerca de 65% dos chips enviados em 2018. A Birdz, subsidiária da Novo Veolia e Veolia Water, anunciou em 19 de dezembro de 2018 que escolheu a Orange Business Services (OBS) para conectar 3 milhões de medidores de água inteligentes LoRaWAN. O contrato da Veolia é a maior implementação de hidrômetros inteligentes usando a rede pública da LPWA. As empresas de energia, que estão em estágios mais avançados de implementação de medidores inteligentes, agora estão começando a atualizar suas infraestruturas elétricas de média tensão (MV) e alta tensão (HV). A ABB, líder em soluções de eletrificação, anunciou os limitadores de tensão do LoRaWAN que medem a corrente de descarga e a corrente de fuga. A LoRa Alliance e o DLMS anunciaram em parceria em abril de 2019 sua parceria para fornecer um novo perfil DLMS adaptado às redes LoRaWAN, permitindo que os utilitários usem muitos aplicativos de IoT e permitindo o uso do
protocolo DLMS / COSEM para conectar medidores de eletricidade inteligentes ao LoRaWAN.
Edifícios inteligentes
As soluções de IoT que usam sensores para monitorar várias condições ambientais, como temperatura, umidade e luz, e para detectar movimentos, choques e vazamentos de água, estão sendo cada vez mais usadas em prédios comerciais.
Os edifícios inteligentes também incluem soluções de gerenciamento de espaço que usam sensores de sala para fornecer informações em tempo real sobre a ocupação do espaço para acesso ao local de trabalho e salas de conferências, bem como o uso ideal dos sistemas HVAC (aquecimento / ventilação / ar condicionado). Conhecer a plenitude também pode ajudar os gerentes de construção a gerenciar melhor os serviços de software, como limpeza, gerenciamento de resíduos e segurança. A tecnologia LoRaWAN alcançou o maior sucesso na implementação dessas soluções e possui vantagens devido à disponibilidade de dispositivos e à simplicidade de criar redes com alto poder de penetração em ambientes fechados. Fornecedores de estações base inteligentes como Cisco, MultiTech, Kerlink, TEKTELIC e Laird fornecem estações base micro e femto que suportam entre 3.000 e 7.000 terminais conectados, respectivamente.
Logística / rastreamento de ativos (mercadorias, recursos, valores)
O rastreamento de ativos sem fio é uma das maiores oportunidades no mercado de IoT, e as tecnologias de rede LPWA desempenharão um papel importante, rastreando coletivamente mais de 9.500 milhões de ativos em todo o mundo nos próximos 5 anos. O maior problema que o LoRaWAN pode resolver é a representação visual e o rastreamento de mercadorias na cadeia de suprimentos, do ambiente interno da empresa às megacidades e regiões usando uma única tecnologia. Atualmente, o rastreamento de produtos está disponível apenas em prédios que utilizam tecnologias sem fio de curto alcance, como RFID, Bluetooth, UWB ou Wi-Fi, ou ao ar livre usando a tecnologia celular ou por satélite. Em 19 de fevereiro de 2019, o fabricante de aeronaves selecionou a Objenious (uma
empresa francesa de Internet das Coisas da
Internet ) para sua infraestrutura híbrida LoRaWAN, que permitiu rastrear seus produtos não apenas nas fábricas, mas também entre fábricas que usam a rede pública LoRaWAN fornecida pela Objenious. Outro exemplo são os sistemas de rastreamento de ativos que rastreiam veículos que transportam mercadorias valiosas. No Brasil, a Maxtrack escolheu o LoRaWAN e até o final de 2018 havia colocado mais de 400.000 rastreadores para rastrear veículos e cargas.
Indústria e fabricação inteligente
Um dos principais fatores de transformação digital na produção é a Internet industrial das coisas. Os sensores certificados LoRa Alliance permitem que os aplicativos de IoT em produção melhorem a visibilidade do fluxo de trabalho, monitorem o tempo de atividade do equipamento para reduzir o tempo de inatividade, visualizem a utilização de recursos e examinem o desempenho geral. Os aplicativos de IoT industrial aproveitam o baixo custo total de propriedade do LoRaWAN e a flexibilidade de gerenciar redes privadas para implantar sensores sem fio para coletar pontos de dados adicionais e fornecer novos conhecimentos. As soluções industriais da Ineo-Sense e ADVEEZ testemunham a introdução de tecnologias de IoT nas indústrias automotiva e aeroespacial.
Agricultura inteligente
De acordo com a Organização das Nações Unidas para Agricultura e Alimentação (FAO), a agricultura terá que aumentar a produtividade em 70% até 2050 para atender ao crescimento populacional projetado.
As tecnologias de IoT ajudarão a utilizar melhor os recursos para atender a essa demanda de alimentos projetada. No entanto, a queda nos preços das commodities dificultava que um grande bloco de produtores, pequenos e médios agricultores, usasse várias tecnologias de IoT. As tecnologias de rede LPWA permitem implementar soluções flexíveis de IoT de duas maneiras: primeiro, a disponibilidade de dispositivos baratos para monitorar a umidade do solo ou as condições dos animais, a fim de aumentar o rendimento ou a produtividade do leite; e, em segundo lugar, a criação de redes acessíveis para o recebimento de informações de sensores usando dispositivos LoRaWAN, em vez de redes celulares que podem não estar disponíveis. Como observado anteriormente, existem muitos fornecedores de estações base para a construção de redes LoRaWAN privadas.
Finalmente, além do sucesso já alcançado pela LoRaWAN em soluções corporativas, a ABI Research também antecipa uma implementação significativa dessa tecnologia para soluções de consumo, como o Smart Home. O LoRaWAN suporta a conexão em ambientes fechados e por longas distâncias para dispositivos localizados ao redor do perímetro de um objeto. Além disso, o desempenho da bateria LoRaWAN é importante para muitos dispositivos de toque alimentados por bateria usados em soluções como detectores de fumaça, detecção de vazamento de água, travas inteligentes, monitoramento ambiental, atendimento a idosos e iluminação externa inteligente. A ABI Research também acredita que as empresas B2B também se beneficiarão das redes domésticas inteligentes LoRaWAN, porque a expansão da rede doméstica suporta uma ampla gama de casos de uso relevantes para clientes corporativos, incluindo verificação de entrega de carga, monitoramento de segurança e proteção.
Coexistência LoRaWAN e NB-IoT
À medida que o mercado de IoT continua evoluindo, o LoRaWAN e o NB-IoT coexistem no mercado, competindo em alguns mercados verticais e se complementando em outros, com base nos requisitos de soluções específicas de IoT para custo, cobertura e largura de banda. Usando o espectro não licenciado, o LoRaWAN permanecerá separado de outras tecnologias de rede LPWA e desempenhará um papel de liderança nas redes privadas corporativas, nas quais as empresas desejam controle total sobre sua infraestrutura e dispositivos. No entanto, há três situações em que uma necessidade pode surgir para soluções híbridas usando LoRaWAN e NB-IoT.
A primeira situação é rastrear ativos móveis. À medida que as pegadas das redes LoRaWAN e NB-IoT continuam a crescer em todo o mundo, as redes também podem ser complementares, fornecendo a conectividade onipresente necessária para rastrear ativos em vários locais e regiões.
A segunda situação são soluções para contabilidade inteligente de recursos e monitoramento de sistemas de energia. Na Europa, o protocolo M-Bus é usado principalmente para medição inteligente de gás e água, - o padrão ETSI (
Instituto Europeu de Normalização de Telecomunicações ) para medição inteligente. No entanto, o M-Bus foi confrontado com o encolhimento da cadeia de fornecedores de soluções que suporta esse padrão. Isso faz do LoRaWAN um substituto em potencial para conectar WANs a medidores inteligentes movidos a bateria. Além disso, para implementar sistemas de contabilidade de recursos que usam a arquitetura de estações base, como pode ser visto no Reino Unido e na Alemanha, o LoRaWAN pode conectar medidores e outros dispositivos terminais.
Por fim, os fabricantes de equipamentos industriais que implantam soluções de monitoramento remoto podem se beneficiar muito da solução de fiação combinada LoRaWAN / NB-IoT para aprimorar a funcionalidade e a flexibilidade de várias soluções industriais de monitoramento e controle. Otimizada para longa duração da bateria, a tecnologia LoRaWAN pode ser usada como a principal solução de conectividade quando sensores são necessários para enviar dados de monitoramento com frequência. A tecnologia NB-IoT com latência mais baixa e QoS garantida, mas um custo mais alto podem ser usados com menos frequência em situações especiais de controle remoto.
Conclusões
As redes LoRaWAN e NB-IoT começaram a implantar há relativamente pouco tempo, mas elas já estão vendo um rápido crescimento em escala global. Haverá um lugar para LoRaWAN e NB-IoT entre aplicativos de IoT em massa com base nas vantagens listadas: custos mais baixos do dispositivo, infraestrutura de rede e acesso à rede; alta penetração no interior do edifício; e baixo consumo de energia. O LoRaWAN, no entanto, em um futuro próximo, tem uma clara vantagem sobre o NB-IoT, com seu sistema de fornecedor desenvolvido, dispositivos IoT certificados e soluções integradas que já estão prontas para implementação hoje.
Publicado 10 de junho de 2019 pela empresa de análise ABI Research
Traduzido com permissão da ABI Research