No Brasil a demanda por acesso à internet dos dispositivos móveis pessoais e dos objetos conectados tem crescido a cada dia. Nesse cenário, se faz necessário entendermos como a tecnologia da comunicação sem fio está moldada para atender a essa demanda crescente para garantir a conectividade e a mobilidade necessárias.

Nesse artigo abordaremos a rede móvel de longo alcance que no Brasil temos como a principal a tecnologia GSM, e nas redes de comunicação sem fio entre objetos com foco principal nas tecnologias não licenciadas como Sigfox e LoRa. Nosso objetivo é pontuar e esclarecer qual é a base tecnológica disponível para uso em IoT Internet das Coisas.

Tecnologia GSM 2G GPRS

Depois da tecnologia TDMA chegou no Brasil em 2001 a tecnologia GSM (Global System for Mobile Communications) que disponibilizou a comunicação de dados GPRS como o grande diferencial para uso nos hardwares embarcados quebrando todos os paradigmas da época com relação a transmissão de dados sem fio.

Desde aquela época o 2G tem sido a principal tecnologia de comunicação para os mercados de Rastreamento Automotivo e para o mercado de Monitoramento Eletrônico Patrimonial.

A Tecnologia 2G utiliza no Brasil as frequências 800, 900, 1800 e 1900 Mhz. Os modens disponibilizados para uso nos hadwares são chamados de QuadriBand em função de que funcionam de forma automática em qualquer uma dessas quatro frequências.

Como essa tecnologia é a mais antiga ela já está em processo de substituição por tecnologia mais atual, a tecnologia GSM 4G.

Tecnologia GSM 3G

Com relação a tecnologia 3G ela praticamente só foi utilizada nos celulares e em alguns milhares de terminais de POS e PDVs.

O Mercado de Rastreamento Automotivo não utilizou essa tecnologia e no mercado de Monitoramento Eletrônico Patrimonial teve pouquíssimo uso.

Pelo fato de operar nas frequências 1885-2025 MHz e 2110-2200 MHz necessariamente o modem de comunicação é especifico, o que na época de sua implantação, acabou tendo resistência de uso em função do valor elevado do modem quando comparado com o valor do modem 2G.

A tecnologia 3G ainda está funcional, mas está com seus dias contados, a sua substituição pela tecnologia 4G já é uma realidade.

Tecnologia GSM 4G LTE

O 4G traz importantes avanços no que se refere à velocidade de conexão e na transmissão de dados. Funciona com a tecnologia LTE (Long Term Evolution) que se baseia na transmissão de dados pela tecnologia WCDMA e GSM.

Junto com a tecnologia LTE tem a tecnologia WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), que prevê a compatibilidade e a interoperabilidade entre equipamentos baseados no padrão IEEE 802.16 compatível com os sistemas Linux. A faixa de frequência utilizada é de 2600 MHz.

A tecnologia LTE disponibiliza velocidade de navegação em torno de 100 Mbps de download e 50 Mbps de upload e uma latência (PING) de no máximo 30 ms (milissegundos).

Além disso, seu sinal foi desenvolvido para ser bem mais estável do que as tecnologias anteriores, permitindo que mais pessoas se conecte a ela sem perder qualidade e por proporcionar acesso à internet de vários lugares diferentes.

Esta tecnologia é a mais indicada para suprir conectividade de dados de internet junto aos celulares que também disponibilizam os recursos de ligações de voz.

Tecnologia GSM 4G LTE CATM-1

A Tecnologia CATM-1 utiliza a mesma rede 4G sendo que essa tecnologia possui tratamentos específicos iguais aos que hoje temos com o GPRS, ou seja, o device fica conectado todo o tempo na Rede 4G transmitindo e recebendo dados, mesmo com o device em movimento.

É a tecnologia que vai substituir o 2G GPRS sendo indicada para utilização no rastreamento automotivo e para os terminais de POS e PDVs.

Tecnologia GSM 4G LTE NB-IOT

A Tecnologia NB-IoT (NarrowBand IoT ) também utiliza a mesma rede 4G e possui tratamentos específicos que direcionam para aplicações especificas de IoT Internet das Coisas.

O NB-IoT é desenvolvida para permitir com que um dispositivo consiga atingir uma economia de bateria fornecendo longevidade para 10 anos. O seu consumo energético é muito baixo baseado no fato de que fica todo o tempo desconectado da rede 4G. Somente ocorre a conexão na rede no momento em que vai fazer a transmissão da informação.

Ainda nessa linha de economia, o NB-IoT envia pouquíssimas mensagens por dia com tamanho reduzido.

O NB-IoT somente pode ser utilizado em aplicações em que o device ficará fixo no local da instalação como sensores em geral.

Tecnologia GSM 5G

O 5G é a futura geração da telefonia celular e já vem sendo desenvolvida para substituir o 4G. A qual irá tornar tudo conectado ao mesmo tempo (carros, geladeira, máquinas de lavar, celulares, câmeras de segurança e tantos outros eletrônicos).

A tecnologia traz maiores velocidades (acima de 10 gigabits por segundo), permitindo maior número de dispositivos conectados (1 milhão de devices a cada quilômetro quadrado) e menor latência.

A rede também permite diferenciar aplicações por camada, permitindo priorizar aplicações críticas dentro do fluxo de dados.

A nível de hardware nada muda com a entrada dessa nova tecnologia. O que temos funcionando em 4G funcionará também em 5G.

Tecnologia Sigfox

A Sigfox é uma rede global de IoT para conectar bilhões de dispositivos que transmitem dados sem a necessidade de estabelecer e manter conexões de rede. Essa abordagem única no mundo de conexão sem fio não impacta na sobrecarga de sinalização e utiliza um protocolo compacto e otimizado (1 mensagens por dia com no máximo 12 bytes).

A tecnologia Sigfox oferece uma solução de comunicação baseada em software, onde toda a complexidade da rede e da computação é gerenciada em nuvem e não nos dispositivos. Tudo isso em conjunto, reduz drasticamente o consumo de energia e os custos dos dispositivos conectados.

A rede funciona em 902 Mhz, frequência não licenciada, com a tecnologia LPWA (que pode ser traduzido como área ampla com baixo consumo de energia), o que facilita o modelo de negócios para consolidar as aplicações de IoT.

Tecnologia LoRa

É uma tecnologia de rádio frequência que permite comunicação a longas distâncias com consumo mínimo de energia. Baseia-se em uma rede com topologia estrela, similar a uma rede de telefonia celular.

Os módulos enviam e recebem dados de Gateways específicos (similar as redes wifi, mas com alcance muito maior), que os encaminham via conexão IP para servidores locais ou remotos. Suas principais aplicações são sistema de IoT (internet das coisas) como sensores e monitores remotos, sobretudo aqueles operados a bateria, de mensagens curtas e em alguns casos em locais de difícil acesso.

Dependendo das condições de instalação (bloqueios por prédios, topologia de terrenos, etc) pode-se conseguir em áreas urbanas 3-4 Km de alcance, e em áreas rurais, até 12 Km (ou mais).

LoRa é o que podemos chamar de camada física de comunicação (assim como os fios em um sistema cabeado). LoRa é baseada em uma técnica conhecida por "chirp spread spectrum modulation", utilizada há décadas sobretudo em sistemas militares e de radar, por possibilitar longo alcance e grande imunidade a ruídos, mas que sempre envolveu sistemas muito críticos quanto a estabilidade de frequência e altos custos.

Com o avanço tecnológico tornou-se viável usar estas mesmas técnicas usando cristais e outros componentes mais baratos, sendo que a tecnologia LoRa é a primeira implementação de baixo custo desenvolvida para uso comercial.

LoRaWAN é o nome dado ao protocolo que define a arquitetura do sistema bem como os parâmetros de comunicação usando a tecnologia LoRa. O protocolo LoRaWAN implementa os detalhes de funcionamento, segurança, qualidade do serviço, ajustes de potência visando maximizar a duração da bateria dos módulos e os tipos de aplicações tanto do lado do módulo quanto do servidor.

Das tecnologias não licenciadas o LoRa tem se destacado frente a sua cobertura da Rede Pública e pelas características técnicas superando as expectativas em várias aplicações de IoT.