Artigos

31 DE AGO DE 2019

Redes emergentes para implantar IoT em Cidades

Projetos de cidades inteligentes estão evoluindo rapidamente em vários países como uma solução viável para a organização urbana afim de proporcionar crescimento socioeconômico sustentável e resolver problemas que surgem à medida que as popu

Projetos de cidades inteligentes estão evoluindo rapidamente em vários países como uma solução viável para a organização urbana afim de proporcionar crescimento socioeconômico sustentável e resolver problemas que surgem à medida que as populações dessas cidades crescem.

Nesse sentido, o uso de tecnologia pode desempenhar um papel importante na automação de processos, melhorando a qualidade de vida do cidadão e ainda reduzir os custos de serviços públicos para municípios e empresas.

Contudo, iniciativas de automação de serviços como eletricidade, iluminação pública, redes de água e de gás chamadas redes inteligentes, surgiram antes dos projetos de cidades inteligentes e estão se consolidando em vários países.

Embora as iniciativas de redes inteligentes tenham surgido anteriormente para projetos de cidades inteligentes, representa um subconjunto do grande cenário de IoT que é a visão em que os projetos de cidades inteligentes são baseados. A diferença dos desenvolvimentos entre essas duas iniciativas fizeram as alternativas de tecnologias de comunicação para construção de infraestruturas de comunicação seguir caminhos diferentes. No entanto, tendo em vista um dos grandes cenários da IoT se torna desejável para determinar tecnologias que forneçam convergência de uma única infraestrutura de comunicação urbana capaz de suportar todos os aplicativos, sejam eles tipicamente IoT ou aplicações tradicionais de redes inteligentes.

Este trabalho é uma revisão que apresenta e discute as duas principais tecnologias atualmente mais bem posicionadas para desempenhar esse papel de convergência que é RF Mesh e LoRaWAN. Os pontos fortes e as fraquezas de cada uma delas também são apresentadas e propõem que, na realidade, o LoRaWAN é não apenas uma opção promissora mas emergente para oferecer as condições necessárias para assumir a liderança de projetos para cidades inteligentes.

REDE MESH

Esta tecnologia para construção de redes sem fio privadas baseia-se na topologia de malha na qual cada elemento de rede é um repetidor. Dessa maneira, cada elemento pode ser acessado diretamente de um ponto de acesso ou através de outro elemento do terminal de rede um ou vários saltos. A topologia básica de uma rede de malha de RF é apresentado na Figura 1. É baseado no padrão IEEE 802.15.4g na camada física, padrão IEEE 802.15.4e na camada de link, sub-camada MAC e o protocolo IETF 6LoWPAN na sub-camada LLC.

Para os fins do endereço de rede, o protocolo IPv6 é usado que é capaz de endereçar 3, 4 x 1038 IPs diferentes. Um endereço de IP está associado a um dispositivo terminal, para que não existem na mesma rede um endereço IP associado a dois diferentes dispositivos terminais.

O RF Mesh pretende ser uma tecnologia baseada em padrões abertos para garantir a interoperabilidade entre redes e dispositivos de fabricantes diferentes. Para operar dessa maneira deve ser adotado a pilha de protocolos, como mostrado na Figura 2.

Fig. 1: Topologia básica de rede de malha de RF

O padrão RF Mesh foi adotado pelo Wireless Smart Utility Aliança de Redes (Aliança WI-SUN). A Aliança WI-SUN é uma organização global sem fins lucrativos para promover soluções da indústria com base em padrões abertos e redes sem fio interoperáveis.

Oficialmente formada em abril de 2012, tem a missão de testar e certificar interoperabilidade entre diferentes fornecedores. O foco é criar redes inteligentes de serviços públicos e cidades inteligentes. Tem aproximadamente 95 empresas, incluindo serviços públicos, instituições governamentais, produtos fabricantes e empresas de software. O atual movimento do Wi-SUN busca expandir o escopo de suas atividades para atender aos serviços de IoT.

Fig. 2: Pilha de protocolo Wi-SUN Alliance RF Mesh

Para aplicações utilitárias, a RF Mesh é uma tecnologia totalmente estabelecida com eficácia comprovada. A soma do número de pontos atendidos pela rede implantada em vários países atinge mais de cem milhões. Do ponto de vista do característica técnica e funcional, a RF Mesh foi criada para atender às requisitos dos aplicativos essenciais das empresas de serviços públicos, como automação inteligente de medição e distribuição, no caso do empresas do setor elétrico.

As principais características são apresentadas na Tabela 2. Os dados foram baseados em informações teóricas confirmadas através de medições de campo em uma rede RF Mesh implantada em sete distribuidoras de energia elétrica da CPFL Energia Grupo no Estado de São Paulo, no Brasil, implantado para medição inteligente de todos os seus clientes de C&I e automação de distribuição.

Tabela 2: Principais recursos de malha de RF

Alguns destaques devem ser feitos com relação a especificações técnicas da RF Mesh. O primeiro está relacionado à banda de frequência. A banda de 900 MHz não é licenciada na maioria dos mercados. Dispensa a obtenção de uma licença de operação do órgão regulador da o setor de telecomunicações. A contraparte é a possibilidade de interferência, mas isso é descrito usando métodos avançados técnicas de modulação. Outro aspecto é a área de cobertura, isto é, uma faixa de freqüência muito interessante para contornar obstáculos e fornece um compromisso muito conveniente entre a potência de transmissão e largura de banda disponível.

O segundo ponto é sobre a latência da rede relacionada para a topologia. A topologia de malha RF oferece a vantagem de extensão de alcance e criação de rotas alternativas automaticamente, por outro lado, pode causar maior latência na rede. Para aplicações inteligentes de medição, esse recurso não representa um problema mas produz um impacto indesejável para aplicativos de DA.

Para superar essa restrição para aplicações DA, os projetos RF Mesh geralmente constroem caminhos específicos na rede ou usam elementos de rede específicos, que levam ao aumento dos custos da rede. Os terminais podem conectar-se ao servidor central por qualquer concentrador de rede. Isso fornece mobilidade em todas as áreas de cobertura, mas com restrições no sentido de que há uma tendência de aumento do roteamento de tráfego de informações devido à interação dos pontos vizinhos de extremidade.

Tabela 1: Requisitos típicos de redes inteligentes - Camada de acesso

REDE LoRa

Essa tecnologia recém-criada ganhou impulso com o LoRa Fundação da Alliance em março de 2015. Esta organização sem fins lucrativos reúne atualmente cerca de 500 empresas de vários países da mundo entre operadoras de telecomunicações, fabricantes de equipamentos, fabricantes de semicondutores, empresas de software, computadores empresas e consultorias.

LoRaWAN é uma tecnologia totalmente convergente baseada em padrões, de baixo custo e foi projetada desde o início para criar plataformas urbanas. Assim, o escopo de aplicação é muito compreensivo. Entre as possíveis aplicações estão as redes inteligentes para empresas de serviços públicos, incluindo empresas do setor de energia elétrica. A oferta de dispositivos incorporados cresce constantemente e inclui monitoramento de dispositivos portáteis, soluções de segurança pública e patrimonial, gerenciamento de infraestrutura urbana, assistência médica e medidores inteligentes.

Ao contrário da topologia de malha de RF, o LoRaWAN possui uma topologia em estrela que simplifica a operação e reduz significativamente o tráfego na rede destinada ao roteamento de informações. Por outro lado, não conta com a possibilidade de cobertura de extensão através do relé no dispositivo terminal vizinho. Essa perda de funcionalidade, além de ser conveniente para o contexto não representa um problema devido ao fato de um dispositivo concentrador LoRaWAN tem um custo médio de aproximadamente 5 vezes menos que um Concentrador de malha de RF.

Como a faixa de freqüência de operação também está localizada no espectro de 915 MHz, a área coberta tende a ser muito semelhante para malha de RF. Técnicas avançadas de modulação e acesso (CDMA) também são usados para tornar a rede praticamente imune a interferência e aumento da sensibilidade do LoRAWAN incorporando interfaces em dispositivos endpoint.

Se for necessária uma expansão de cobertura, isso pode ser feito usando concentradores adicionais nas regiões de sombra de RF sem causar aumento significativo dos custos do projeto, considerando a margem de redução de investimentos se comparado ao RF Mesh. A figura 3 mostra o topologia de referência do LoRaWAN e a Figura 4, da pilha de protocolos.

Figura 3: Topologia básica da rede LoRaWAN

Figura 4: Pilha de protocolos LoRaWAN

Uma característica proeminente dessa tecnologia é a extremo baixa consumo de energia. As NICs nos dispositivos de terminal LoRaWAN são capazes de detectar sinais de RF com potência de até 20 dB abaixo nível de ruído que consome o mínimo de energia elétrica. Estas placas de rede LoRaWAN podem operar autonomamente com a mesma bateria interna por 10 a 20 anos. Esse recurso é extremamente interessante para equipar os medidores inteligentes de concessionárias de serviços.

Em relação às características de desempenho fornecidas na Tabela 3 observa-se vantagens significativas como taxa de dados disponível por terminal, latência uniforme devido a vários saltos ausentes para conectar pontos de extremidade a um concentrador e agregação de capacidade dos terminais por concentrador. Na versão atual do LoRaWAN, esse recurso é 50% maior se comparado ao RF Mesh versão atual.

Tabela 3: Principais recursos do LoRaWAN

Um destaque deve ser levado em conta em relação aos aplicativos DA. Embora os dados teóricos sugiram que esta aplicação também pode apoiar outros estudos, é necessário considerar todos os requisitos, necessário considerar as várias situações de redes de comunicação e a topologia da redes de distribuição para determinem uma recomendação mais assertiva. O LoRAWAN a adequação a qualquer situação dos projetos de AD ainda precisa ser comprovada.

Um diferencial do LoRAWAN são as três classes diferentes de serviço disponível para alocar os aplicativos de acordo com suas requisitos. Segue abaixo uma descrição resumida desses três classes de serviços:

1. Dispositivos finais bidirecionais (classe A): a ligação ascendente do terminal transmissões são baseadas em um protocolo do tipo ALOHA. O downlink do servidor só pode ser feito em duas janelas que se abrem para receber após a transmissão do uplink. Esta classe é que fornece o menor consumo de energia em o terminal (endpoint). Pode ser usado para iluminação pública, medidores inteligentes, segmento residencial e Asset Management - Gerenciamento de ativos.
2. Dispositivos finais bidirecionais com slots de recebimento agendados (Classe B): Uma janela de transmissão pré-programada é aberta, a qual gerenciada a partir de um sinal de temporização (Beacon) que indica quando o receptor está pronto para receber. Pode ser mais conveniente para medição inteligente de um cliente de C&I, subestações de medição localizadas na fronteira de distribuição e redes de sub-transmissão ou para carregar atualizações de firmware de medidores inteligentes.
3. Dispositivos finais bidirecionais (endpoints) com slots de recebimento máximos (Classe C): Uma janela de transmissão é aberta continuamente para transmissão. Esta classe é mais adequada para a possível alocação dos sistemas de gerenciamento de aplicativos (religadores) e subtransmissões com base no SCADA.

A mobilidade é um recurso inerente às tecnologias projetadas para IoT. Nesse sentido, o LoRaWAN é totalmente adequado para aplicações que exigem essa funcionalidade, como gerenciamento de ativos.

A seguir é feita uma comparação entre esses duas tecnologias para construção de redes inteligentes FAN/NAN. O objetivo é determinar se o LoRAWAN representa melhor opção considerando suas características técnicas de taxa de dados disponível, baixa complexidade, garantia de interoperabilidade entre diferentes fornecedores, e principalmente por sua convergência em torno de aplicações de IoT para cidades inteligentes.

COMPARAÇÃO DAS TECNOLOGIAS

Conforme demonstrado nos itens 3 e 4, ambas as tecnologias RF Mesh e LoRaWAN atendem aos requisitos para a maior parte de aplicações de redes inteligentes. Não há restrição para usar LoRaWAN para medição inteligente. Uma exceção deve ser feita para distribuição automação (DA/ADA) no caso do LoRaWAN que ainda deve ser melhor estudado. A Tabela 4 apresenta uma comparação entre RF Mesh e LoRaWAN considerando os parâmetros estudados.

Especialmente no que diz respeito à latência da rede, é necessário avaliar condições de contorno sobre a possibilidade de usar essa tecnologia, devido ao seu desempenho. Para ADA, o uso do LoRaWAN na versão atual da tecnologia apresenta uma restrição ainda maior também em relação à máxima permissibilidade de latência. Para essas duas aplicações, uma solução seria o uso de tecnologias na camada Backhaul capazes de executar esta função. Nesse cenário, o ponto final da automação de distribuição seria acessado e atendido diretamente por essa camada da rede, sem usar a camada de acesso LoRaWAN. Possível tecnologia de telecomunicações para DA/ADA seria LTE, WiMAX, sistemas de rádio ponto a multi-ponto ou até uma malha RF, sistema projetado especificamente para esse fim ou servindo como solução de backhaul para uma rede urbana LoRaWAN. Já a Tabela 4 apresenta uma comparação dos recursos técnicos dessas duas tecnologias de camada de rede de acesso. Está provado que os requisitos em conformidade para medição inteligente e outros aplicativos, como iluminação de rua e automação de gerenciamento de ativos.

Mesmo se uma restrição for observada para automação e aplicações de distribuição, existe uma condição de contorno a ser usada que seria construir uma rede projetada especificamente para suportar esse, enquanto mantém outros serviços de rede inteligente via LoRaWAN.

Tabela 4: Comparação RF Mesh X LoRaWAN

Uma vantagem relevante da tecnologia LoRAWAN é o fato de que é uma tecnologia totalmente convergente, baseada em padrões abertos, baixo custo e pronta para atender a todos as aplicações de IoT no contexto de um projeto de cidade inteligente. É desejável que investimentos em uma plataforma de cidade inteligente atenda a todos os aplicativos e serviços com uma visão da IoT, para otimizar os recursos e simplificar as infraestruturas de telecomunicações. A simplicidade da tecnologia LoRAWAN é outro aspecto importante em comparação com a RF Malha. O fato de cada terminal (endpoint) acessar diretamente um concentrador exclui a necessidade de protocolos de roteamento complexos presentes na Malha de RF. No contexto da IoT, essa funcionalidade nem é desejável. Existem várias situações em que nem sequer é apropriado que um terminal acesse um concentrador através de outro terminal.

A topologia de malha fornece a vantagem em comparação com a topologia estrela, que estende a área de cobertura através de NICs que atuam como repetidor. Os pontos finais de uma de rede de área de vizinhança (NAN) pode ser agregado em uma NIC mais próxima do concentrador. Se um evento de falha ou indisponibilidade de uma NIC que está atuando como um agregador outro pode assumir esse papel. A topologia em estrela não possui esse funcionalidade, mas como discutido anteriormente, ele não representa um problema para o cenário de IoT e oferece a vantagem em tornando-se uniforme em latência da rede. Isso ocorre porque a topologia em estrela não possui saltos entre os terminais para acessar um concentrador como acontece com o RF Mesh.

A mobilidade dos terminais é possível nas duas tecnologias. Os pontos finais (endpoint) do LoRaWAN e do RF Mesh não estão necessariamente vinculados para um concentrador específico, mas no RF Mesh há uma tendência de aumentar o tráfego de informações de roteamento. Nesse sentido, a mobilidade é possível com restrições. O RF Mesh foi inicialmente projetado para suporte a aplicativos como medição inteligente, DA e iluminação pública, em que a mobilidade não é uma questão essencial. Assim, esse recurso inicialmente não é uma prioridade. No entanto, novas aplicações de smart grid com um perfil de IoT, como gerenciamento de ativos, requer uma comunicação de rede capaz de suportar a mobilidade.

A possibilidade de geolocalização é um aspecto importante a ser considerado na seleção de tecnologias de comunicação projetada para dar suporte a aplicativos em redes inteligentes. Utilitários usam sistemas georreferenciados em seus processos operacionais para plotar em mapas, geográficas da planta de distribuição e localizar através de coordenas geográficas seus ativos da rede elétrica. Geolocalização torna-se uma funcionalidade importante para uma rede de comunicação que visa automatizar esses ativos, seja para operações processos ou gerenciamento. Nesse sentido, o LoRaWAN apresenta uma vantagem significativa sobre a malha de RF. Mesmo que os estudos apontam restrições ao uso de LoRaWAN para DA, a capacidade georreferenciar medidores inteligentes em plantas de medição estende sua funcionalidade a uma rede de sensores capaz de geograficamente mapear a ocorrência de falhas no fornecimento de energia elétrica. Além desta aplicação, a geolocalização associada a mobilidade das comunicações desempenha um papel fundamental nos projetos de automação da gestão de ativos elétricos.

Com relação à freqüência de operação e cobertura, ambos ambientes urbanos e rurais são bem servidos por ambas tecnologias. Eles têm características semelhantes e atendem aos requisitos das redes inteligentes. No entanto, considerando uma ampla visão no contexto de possíveis parcerias entre empresas de serviços públicos e municípios para atender serviços públicos, um cenário real aponta à construção da infraestrutura de comunicação na qual coexistem tecnologias como LoRaWAN na camada de acesso, RF Malha com principalmente funções da Camada de Backhaul além de LTE, WiMAX, rádios PMP e sistemas de fibra óptica. Eventualmente, será necessário complementar a cobertura com os contratos serviços da Telcos baseados na plataforma pública da NarrowBand IoT (NB-IoT) para regiões de sombra de RF das redes proprietárias em que o investimento por parte das concessionárias e municípios para cobrir essas regiões não sejam financeiramente viáveis.

A taxa de dados disponível por terminal no RF Mesh é tipicamente de 10 kbps, mas algumas versões chegam a 100 kbps. Para aplicativos de IoT incluindo smart grid, a taxa de dados exigida pelos aplicativos raramente excede esse valor. A Tecnologia LoRaWAN oferece um máximo a taxa de dados por terminal de 50 kbps também atende a esse requisito. Certamente, a taxa de dados efetivamente disponível em cada ponto da área de cobertura de um concentrador dependerá do nível de obstrução à propagação de RF e a distância entre o ponto final (endpoint) e o concentrador. Nesse sentido, a otimização da taxa efetiva de dados disponível em cada terminal dependerá do Design de RF.

A capacidade de agregação é um parâmetro que define quantos pontos finais podem ser conectados usando um único dispositivo concentrador. Isso implica diretamente no design de RF, o que afetará o custo total infraestrutura de RF externa e distribuição desse custo por endpoint.

O custo médio por concentrador de RF ao ar livre por terminal considera um custo médio de distribuição do concentrador de RF entre os terminais e a capacidade agregada máxima por concentrador. O custo de NICs incorporadas no nó de extremidade não está incluído. Uma comparação mostra que o LoRaWAN apresenta um custo menor em parte devido ao fato de o preço médio do dispositivo concentrador LoRaWAN ser cerca de 5 vezes menor do que na malha RF. Outro fato é que capacidade de agregação é maior, reduzindo em cerca de 7 vezes o custo de dispositivos concentradores de RF por terminal.

O nível de maturidade das tecnologias é diferente, principalmente devido ao momento da inicialização de cada um: Wi-SUN Alliance em abril de 2012 e LoRa Alliance em março de 2015. Isso sugere que, embora o LoRaWAN está avançando rapidamente em vários mercados, ainda há muito a ser desenvolvido. O grande interesse da indústria demonstrado em apenas 1 ano de organização, principalmente devido à adequação do LoRaWAN em projetos de IoT torna o futuro deste tecnologia muito promissora. Por outro lado, o RF Mesh está bem estabelecido para a medição e automação inteligentes. Apesar do LoRaWAN ser adequado para medição inteligente, existe uma incerteza em relação ao suporte à automação de distribuição devido à sua alta latência.

Os próximos passos que certamente seguirão a partir de agora a um crescente envolvimento da indústria, empresas de serviços, incluindo setor de serviços públicos, entidades governamentais, agências de pesquisa e academia. Estudos de novas aplicações que podem ser suportadas por LoRaWAN estão avançando em vários países. No contexto de redes inteligentes, os principais aplicativos que requerem foco para ajustar esse tecnologia estão relacionadas à automação da rede elétrica.

CONCLUSÃO

Projetos de cidades inteligentes no ambiente urbano introduzem inovação no fornecimento de serviços de infraestrutura, aplicativos acessíveis diretamente e rapidamente em qualquer lugar. Neste contexto, o conceito de Internet das Coisas (IoT) desempenha um papel fundamental na construção de plataforma de telecomunicações que realiza a implementação desses projetos possível em larga escala. As iniciativas de redes inteligentes para serviços públicos representam parte desse grande cenário de cidades.

A construção de uma plataforma para IoT se torna realidade por combinações particulares de redes públicas e privadas, incluindo a Internet como plataforma principal. A formação de redes privadas para a Internet das coisas tem duas tecnologias que se destacam atualmente: LoRaWAN e RF Mesh.

Nesse sentido, é desejável determinar uma opção que forneça rede inteligente e outras aplicações de cidades inteligentes convergem a mesma tecnologia. Para suportar aplicativos de rede inteligente, empresas de serviços públicos adotaram amplamente o RF Mesh, que pretende ser uma opção aberta e interoperável para construir redes privadas.

Em relação à interoperabilidade essencial para projetos de IoT, a RF Mesh ainda tem trabalho a ser feito.

Para serviços de IoT, incluindo redes inteligentes, a tecnologia emergente LoRaWAN representa uma alternativa realmente convergente que também adota padrões abertos e interoperáveis, mas a um custo menor se comparado ao RF Mesh. A tecnologia LoRaWAN fornece recursos necessários para assumir o papel de uma alternativa de infraestrutura adequada para suportar todos os aplicativos de cidades inteligentes, incluindo tabelas inteligentes. Uma exceção deve ser feita para DA e ADA, que precisa ser melhor estudado e testado em uma plataforma LoRaWAN.

Uma condição de limite seria uma implantação de rede separada projetado especificamente para esse fim. Outra possibilidade é construir uma rede LoRaWAN Backhaul também capaz de suportar DA e ADA. As opções de tecnologia atualmente disponíveis que poderiam desempenhar esse papel são WiMAX, LTE, sistemas de rádio ponto a multi-ponto, ou mesmo um sistema de malha de RF.

Por fim, levando em consideração o que foi estudado neste trabalho, recomenda-se que as concessionárias que ainda não investiram em uma rede de medição inteligente baseada em RF Mesh deve considerar inclusão LoRaWAN como uma opção possível em seus projetos. este pode ajudar a encontrar uma maneira viável de criar uma infraestrutura de rede inteligente, levando em conta o novo contexto das cidades inteligentes, a fim de proporcionar maior ganho de escala, preparando o caminho para possíveis parcerias entre empresas prestadoras de serviços públicos e municípios. O objetivo final, bem como tornar viável planos de negócios que viabilizam os projetos, é proporcionar aos cidadãos serviços públicos de qualidade baseados em aplicações intensivas em tecnologia, ao menor custo possível.

Conteúdo adaptado pelo autor, com base no original dos autores: Hamilton da Gama Schroder Filho * José Pissolato Filho, Vinicius Luciano Moreli

Este trabalho foi apoiado pelo Departamento de Sistemas Elétricos (DSE), Instituto de Engenharia Elétrica e Computação (FEEC), Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP, SP, Brasil.

Fonte: LinkedIn