LoRa: Tecnologia de radiofrequência para comunicação em longas distâncias

A tecnologia LoRa – Long Range permite a comunicação sem fio de dados a longas distâncias com baixo consumo de energia, alcançando até 15 quilômetros em condições ideais, e variando de 3 km a 4 km em áreas urbanas e até 12 km em áreas rurais. Ideal para aplicações de IoT – Internet das coisas como agricultura de precisão, cidades inteligentes e logística, a LoRa é eficaz na transmissão de mensagens curtas em locais de difícil acesso e em dispositivos alimentados por bateria, que podem operar por longos períodos sem recarga frequente. O protocolo LoRaWAN complementa a LoRa ao padronizar a conectividade e assegurar a interoperabilidade entre dispositivos de diferentes fabricantes, facilitando a implementação de redes de sensores e dispositivos em larga escala. Este artigo apresenta a tecnologia LoRa e introduz o protocolo LoRaWAN.

Diogo Henrique Dantas Moraes; Matheus Jacon Pereira e Fabrício Gonçalves Torres, pesquisadores do IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo

A tecnologia LoRa – Long Range é uma solução de comunicação sem fio projetada para permitir a transmissão de dados a longas distâncias com baixo consumo de energia. Com capacidade para alcançar até 15 quilômetros em condições ideais, a LoRa oferece um alcance significativo mesmo em ambientes urbanos, onde a cobertura costuma variar entre 3 km e 4 km, e em áreas rurais, onde pode superar os 12 km. Essa amplitude de cobertura torna a tecnologia ideal para uma variedade de aplicações no campo da IoT – Internet das coisas. Entre as principais aplicações, destacam-se a agricultura de precisão, onde sensores de umidade do solo e temperatura ajudam a otimizar o uso de água e insumos; cidades inteligentes, com monitoramento de qualidade do ar, iluminação pública e gerenciamento de resíduos; e logística, através do rastreamento de ativos e controle de condições ambientais em tempo real.

Em linhas gerais LoRa é eficaz em cenários que requerem a transmissão de mensagens curtas em locais de difícil acesso, como sensores e monitores remotos, além de dispositivos alimentados por bateria. Esses dispositivos podem funcionar por longos períodos sem a necessidade de recarga frequente, graças ao baixo consumo energético da tecnologia.

O protocolo LoRaWAN – Long Range Wide Area Network complementa a tecnologia LoRa ao definir a arquitetura do sistema e os parâmetros de comunicação necessários. Este protocolo padroniza a conectividade, assegurando uma interoperabilidade robusta entre dispositivos de diferentes fabricantes e facilitando a implementação de redes de sensores e dispositivos IoT em grande escala. A figura 1 apresenta o layout padrão das soluções que utilizam LoRAWan.

A tecnologia LoRa

LoRa é uma tecnologia LPWAN, sua arquitetura envolve a camada física, reponsável pela modulação, e a camada Media Access Control (MAC) controlada pelo protocolo LoRaWAN. A figura 2 descreve a arquitetura das redes LoRa.

LoRa se baseia na técnica de modulação de espectro CCS – Chirp Spread Spectrum e apresenta como principais parâmetros o Spread Factor, Coding Rate e Bandwidth (SANCHEZ-IBORRA et al., 2018).

O Spread Factor regula a relação inversa entre a sensibilidade do equipamento receptor e a taxa de dados transmitidos. Coding Rate se relaciona a codificação de erro acarretando bits a mais na carga útil da camada física das redes. O Bandwidth define a largura de banda; a mais utilizada é 125 kHz sendo que 250 kHz e 500 kHz também são suportadas.

O protocolo LoRaWAN

LoRaWAN é o protocolo que define a arquitetura do sistema e os parâmetros de comunicação utilizados para a transmissão de dados baseados em LoRa. As redes LoRaWAN apresentam a topologia estrelas de estrelas, os gateways são responsáveis pela comunicação entre os dispositivos finais e os servidores de rede que encaminham os pacotes de cada dispositivo final para o servidor de aplicação associado a ele.

Classes dos dispositivos

Os dispositivos finais presentes nas redes LoRaWAN apresentam três classes de dispositivos, conforme apresentado na figura 3.

Dispositivos da classe A, mais comuns, apresentam otimização da bateria chegando a anos de duração (SANCHEZ-IBORRA et al., 2018).

LoRaWAN v1.0 e LoRaWAN v1.1

A versão 1.0 do LoRaWAN foi a primeira especificação publicada para padronizar a comunicação entre dispositivos LoRa e a infraestrutura de rede. A versão 1.1 do protocolo lançada em 2017 pela Lora Alliance trouxe mudanças na arquitetura e em aspectos relacionados à segurança das redes, vale citar o advento do Servidor de Aplicação, as novas chaves de sessão e a alteração de alguns termos.

O servidor de aplicação assume funções relacionadas ao Join Procedure, que é um processo fundamental no protocolo permitindo a um dispositivo final se associar à rede de maneira segura, através de autenticação e chaves criptográficas. Na versão 1.0 este procedimento era de responsabilidade do servidor de eede, de forma mais limitada (LORA ALLIANCE, 2017).

Diogo Henrique Dantas Moraes é graduado em Análise de Sistemas pela Fatec – Faculdade de Tecnologia de Sorocaba e pós-graduado (MTA) em Cibersegurança pelo IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas onde realizou pesquisa relacionada à segurança em redes LoraWAN. Atualmente é assessor de tecnologia no Banco do Brasil. diogo.moraes.537@bb.com.br.

Matheus Jacon Pereira é mestre em Engenharia da Computação – Redes de Computadores pelo IPT e graduado em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, UNESP. Possui publicações acadêmicas nas áreas de RFID, Internet das Coisas, Sistemas Inteligentes de Transporte (ITS), Rede de Computadores e automação. Atuou como professor em cursos de Engenharia de Computação, Engenharia Elétrica e Sistemas de Informação e atualmente é professor no curso de pós-graduação (MTA) em Cibersegurança ministrando disciplinas de Engenharia Reversa e Análise de Malware. Atuou na área de PD em companhias do setor de telecomunicações e é Pesquisador do IPT, trabalhando com pesquisa e desenvolvimento nas áreas de RFID, ITS, Internet das coisas, Redes de Computadores, Governança e Segurança da Informação. Além de liderar projetos de desenvolvimento para Sistemas operacionais Linux e Android, incluindo requisitos de cibersegurança. mjacon@ipt.br.

Fabrício Gonçalves Torres é físico, mestre em Processos Industriais e gerente técnico do Laboratório de Metrologia Elétrica do IPT. Possui mais de 18 anos de experiência em metrologia e realiza auditorias, consultorias e treinamentos na área de qualidade, metrologia e instrumentação. fabrigt@ipt.br; www.linkedin.com/in/fabriciogt.

Referências:

“LoRaWAN v1.0 Specification”. LoRa Alliance, Fremont, CA, USA, 2015.

“LoRaWAN v1.1 Specification”. LoRa Alliance, Fremont, CA, USA, 2017.

ANTAMARIA, Michael; MARCHIORI, Alan. Demystifying LoRa WAN Security and Capacity. 2019 29Th International Telecommunication Networks And Applications Conference (Itnac), [S.L.], p. 30-35, nov. 2019. IEEE.

BARRIGA, Jhonattan J.; YOO, Sang Guun. Securing End-Node to Gateway Communication in LoRaWAN With a Lightweight Security Protocol. Ieee Access, [S.L.], v. 10, p. 96672-96694, 2022. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). http://dx.doi.org/10.1109/access.2022.3204005.

EMBARCADOS. Conheça a tecnologia LoRa e o protocolo LoRaWAN. Disponível em: https://embarcados.com.br/conheca-tecnologia-lora-e-o-protocolo-lorawan/. Acesso em: 04 jul. 2024.

SANCHEZ-IBORRA, Ramon; SANCHEZ-GOMEZ, Jesus; BALLESTA-VIÑAS, Juan; CANO, Maria-Dolores; SKARMETA, Antonio. Performance Evaluation of LoRa Considering Scenario Conditions. Sensors, [S.L.], v. 18, n. 3, p. 772, 3 mar. 2018. MDPI AG. http://dx.doi.org/10.3390/s18030772.