Redes e arquiteturas para smart parking

Os principais protocolos de comunicação usados pelos nossos sensores e possíveis aplicações num projeto de estacionamento inteligente

LoRa

NB-IoT

Conclusões

O protocolo LoRa (Long Range) é uma técnica de modulação de “espetro expandido” adquirida pela Semtech (EUA) em 2012.

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Recursos

O protocolo LoRa utiliza as chamadas frequências de uso livre, denominadas ISM (Industrial, Científica, Médica), reservadas principalmente para uso industrial, médico e científico, mas que são utilizadas por todos os dispositivos de rádio no mercado que podem ser adquiridos e utilizados livremente, como controlos remotos de portas, dispositivos Wi-Fi, alarmes de rádio, etc.

Os operadores que usam esses dispositivos não estão sujeitos a autorizações ou pagamento de taxas. Em todos os países, é possível encontrar alguns operadores públicos e dezenas ou centenas de empresas privadas que “vendem” a ligação aos dispositivos.

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Rapidez

A velocidade de transmissão de dados é chamada de fator de propagação (SF). A faixa de SF usados vai do SF12, o mais lento, que permite a comunicação de cerca de 250 bps (bits por segundo), até ao SF7, o mais rápido, com cerca de 11.000 bps.

Portanto, se um sensor de estacionamento precisar enviar o seu pacote de status de livre/ocupado e este for composto, por exemplo, de 60 bytes (1 byte = 8 bits), significa que o comprimento total do pacote a ser enviado (denominado Payload) é 480 bits. No SF12 são necessários pelo menos 1,92 s (480 bits/250 bps = 1,92 s), por outro lado, cerca de 44 ms é suficiente para SF7 (480 bits/11.000 bps = 0,044 s aproximadamente).

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Bateria

O consumo de bateria no SF7 é consideravelmente menor em comparação com o SF12, mas quanto mais lento o SF, mais ele consegue penetrar obstáculos e se comunicar a longa distância. Imagine-se numa praça lotada, a 20 metros de uma pessoa que pode levar 20 segundos ou 200 segundos para comunicar consigo. Se ele quiser comunicar com clareza e a uma distância maior, pode levar mais tempo e é necessário que ele fale muito alto, cansando-se primeiro (o equivalente à bateria consumida mais rapidamente), ou ele pode aproximar-se e, portanto, falar mais rápido e num volume mais baixo (equivalente a usar mais gateways).

Esta é a razão pela qual a Intercomp tenta sempre usar o SF7 nas suas instalações: é melhor ter menos gateways do que substituir as baterias do sensor a cada 2 anos, em vez de a cada 8/10 anos.

O sensor Intercomp é compatível e certificado pela LoRa Alliance™ com o plano de canal EU863-870 e a frequência básica de transmissão e receção é 868 MHz. Pode ser usado em toda a Europa, Médio Oriente e em alguns países africanos.

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Configuração

Três configurações diferentes estão disponíveis para os nossos dispositivos.

LoRaWAN®

É construído de acordo com as especificações da LoRa Alliance™, que inclui dispositivos, gateways, um servidor de rede e uma plataforma de gestão (por exemplo, o nosso POLIS). A Gateway e o servidor de rede são os dispositivos que o operador LoRaWAN® público ou privado deve disponibilizar. O problema da saturação surge para um número muito grande de sensores, mas geralmente os fabricantes de gateways e servidores de rede declaram a possibilidade de ligar vários milhares de dispositivos (até 20.000), mesmo que dependa muito do tráfego gerado.

LoRaWAN® SPN (Small Private Network)

O LoRaWAN® SPN é uma variação do LoRaWAN®, que usa gateways com um servidor de rede integrado com recursos reduzidos, em comparação com um servidor de rede real. Cada gateway SPN permite gerir algumas centenas de dispositivos. É útil para criar redes privadas LoRaWAN® muito rapidamente, economizando o custo de um servidor de rede (algumas dezenas de milhares de euros).

LoRa Intercomp

É um protocolo LoRa proprietário desenvolvido pela Intercomp que explora o potencial de penetração e distância típico do protocolo LoRa, mas usa apenas um canal para comunicação e a taxa de dados (a velocidade de comunicação) é normalmente fixa no SF7.

Os componentes dessa arquitetura são os sensores LoRa Intercomp, os gateways R3000 Intercomp (que podem ser alimentados em alta ou baixa tensão) e a plataforma de gestão POLIS.

Cada gateway pode gerir até 150/200 sensores. Além desse número, o gateway pode funcionar, mas podem surgir dois fatores que devem ser levados em consideração:

tipo de dispositivos ligados, que não são todos iguais. Por exemplo, um sensor de estacionamento inteligente pode transmitir mais de 50 mensagens por dia, portanto, o tráfego de rádio gerado em eventos livres e ocupados pode ser muito alto;
Duty Cycle, o tempo de transmissão que não deve exceder 1% calculado por hora (não mais que 36 segundos em uma hora). Isso não é um problema para um sensor, mas para um gateway, se estiver configurado para responder aos dispositivos ligados e se forem milhares, poderá tornar-se um problema. O Confirmed Packet para redes LoRaWAN® ou Acknowledge (ACK) para LoRa Intercomp (a confirmação de que o pacote do sensor foi entregue) é uma opção configurável nos gateways LoRaWAN® e configurada como padrão na rede LoRa Intercomp. Portanto, se um gateway precisar confirmar a receção de um grande número de sensores, é possível que o limite do Duty Cycle seja atingido e, a partir desse momento, o gateway não responderá mais aos dispositivos, a menos que infrinja a lei. Num sistema de estacionamento inteligente, especialmente se os pagamentos também são geridos (como ocorre no sistema Intercomp), a confirmação do recebimento dos pacotes é uma informação muito importante. Mas como a duração da bateria é igualmente importante, no protocolo LoRa Intercomp, os sensores podem ser configurados para interromper a comunicação após 6 tentativas, se o ACK não for recebido pelo gateway.

A tecnologia NB-IoT (banda estreita – Internet das Coisas) usa frequências e dispositivos de banda LTE (Long Term Evolution).

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Recursos

As frequências dedicadas ao NB-IoT (o chamado 4G em uso pelas operadoras telefónicas) não são para uso público, mas uma operadora deve comprar licenças dos vários países em que deseja trabalhar para usar essas frequências, que geralmente custam várias centenas ou milhares de milhões de euros ou dólares (por exemplo, em Itália, foram leiloados pelo uso de frequências reservadas para 5G por 6,55 bilhões de euros). Em cada país, geralmente existem 2 a 4 operadoras capazes de oferecer a ligação.

O NB-IoT opera da mesma maneira que as comunicações de dados por telefone, mas, ao contrário dos telefones (nos quais é necessário recarregar a bateria praticamente todos os dias), para dispositivos como o nosso sensor, os operadores devem aplicar uma configuração específica que garanta ao sensor muita autonomia sobre quando fechar a comunicação e permanecer em modo de espera.

A rede NB-IoT, diferentemente da LoRa, pode controlar os dispositivos ligados, ativá-los e mantê-los online pelo tempo desejado. No entanto, é possível que os operadores adotem uma configuração para permitir que os dispositivos NB-IoT tenham alguma liberdade para fechar ligações depois de o pacote ser transmitido.

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Eficiência

A velocidade da comunicação não é significativa para o consumo, mas a configuração da rede e a potência de transmissão são muito relevantes.

Com o NB-IoT, não há limites de ocupação de largura de banda e, portanto, um dispositivo pode permanecer em transmissão por um período ilimitado. Obviamente, se o dispositivo for alimentado por bateria e for escolhida uma instalação subterrânea (como para os sensores Intercomp), menos tempo e energia o dispositivo utilizará para se comunicar e mais a bateria durará.

As frequências empregadas pelo NB-IoT são chamadas de bandas e são mais amplas que o LoRa. O B20 (800 MHz) e o B8 (900 MHz) estão presentes em 67,8% do mercado mundial. De facto, para a mesma potência, eles garantem uma boa penetração e distância de comunicação (quanto maior a frequência, mais ela é filtrada por paredes e outros obstáculos).

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Configuração

Nas redes NB-IoT, não há muitas variáveis de arquitetura: a única variável possível é o operador (e, portanto, o SIM) a ser usado. No caso de um sensor, a comunicação com a célula telefónica é direta após a configuração dos parâmetros da rede.

A configuração do dispositivo é estabelecida pelas configurações dos parâmetros da operadora telefónica (PLMN e APN). Os parâmetros de configuração padrão comunicados pelos fabricantes dos módulos de rádio NB-IoT são introduzidos no firmware do dispositivo.

Em relação ao problema de saturação, os operadores garantem dezenas de milhares de dispositivos que podem ser ligados à mesma célula.

Conclusões

Nos projetos smart parking, todas as arquiteturas podem ser usadas, avaliando os pontos fortes e fracos de cada uma. Em relação ao LoRaWAN®, mesmo que os fabricantes declarem milhares de dispositivos geríveis, isso depende sempre da quantidade de pacotes que os dispositivos enviam. No caso de sensores de estacionamento inteligentes, é preferível não exceder o número de algumas centenas por gateway, não sobrecarregar a rede e poder usar o pacote confirmado.

Os cálculos de tamanho exato de uma rede LoRaWAN® podem ser executados usando um software específico capaz de calcular, com base na área a ser coberta, o número de dispositivos, a quantidade diária ou horária de pacotes a serem recebidos e a qualidade do sinal desejada, posição e número de gateways necessários.

Na tabela abaixo está uma comparação entre redes e arquiteturas para smart parking.