Rede híbrida LoRa em malha: LoRaWAN para aplicações de internet das coisas

Abstract

A Internet das Coisas (IoT) possibilita o sensoriamento e controle remotos, obtenção e análise de dados e deve permitir a conexão de mais dispositivos. Uma infraestrutura de rede de comunicação é necessário para habilitar a troca de informações entre os elementos de uma aplicação de IoT. Neste sentido, várias tecnologias de comunicação em rede foram desenvolvidas e têm sido utilizadas para este fim. Entre essas tecnologias, as recentes LPWANs que permitem conexões de rede sem fio de longa distância e baixo consumo de energia em dispositivos normalmente conectados a baterias, porém, com baixas taxas de transmissão de dados. As tecnologias LPWANs mais comuns são: SigFox, NB-IoT e LoRaWAN, sendo que todas estas enfrentam um problema de aplicação em comum: a presença de obstáculos e localização topográfica dos dispositivos originam áreas de sombra (sem cobertura) dentro da área de cobertura de comunicação. A topologia utilizada nessas redes (estrela-de-estrelas) agrava ainda mais esta situação. Neste sentido, faz-se necessário buscar alternativas para melhorar a cobertura dessas redes e a possibilidade de superar estes obstáculos permitindo assim que áreas, antes de sombra, possam ser sensoreadas permitindo um melhor aproveitamento dos protocolos de longa distância. Este trabalho apresenta uma solução para este problema através do desenvolvimento de uma rede híbrida composta pela integração de uma rede LoRa em malha com uma rede LoRaWAN. Essa rede híbrida é baseada em um hardware de baixo custo, chamado de Proxy que coordena uma rede LoRa em malha e conecta, de forma transparente, os dispositivos dessa rede à rede LoRaWAN. Essa solução habilita a comunicação de dispositivos em áreas de sombra da cobertura LoRaWAN, além da possibilidade de estender a área de cobertura LoRaWAN através da rede LoRa em malha.

The Internet of Things (IoT) enables remote sensing and control, data obtaining and analysis, and should allow the connection of more devices. An infrastructure of network communication is necessary to promote the exchange of information between the elements of an IoT application. In this sense, several network communication technologies have been developed and have been used for this purpose. Among these technologies, the most recent LPWANs enable low-power, long-distance wireless network connections in devices normally connected to batteries, however, with low data rates of transmission. The most common LPWANs technologies are SigFox, NB-IoT, and LoRaWAN, all of which face a common application problem: the presence of obstacles and topographic location of devices give rise to shadow areas (no coverage) within the communication coverage area. The topology used in these networks (star-of-stars) makes this situation even worse. In this sense, it is necessary to seek alternatives to improve the coverage of these networks and the possibility of overcoming these obstacles thus allowing areas, before shadow, to be sensed allowing better use of long-distance protocols. This job presents a solution to this problem by developing a Hybrid Network composed of the integration of a LoRa Mesh network with a LoRaWAN network. That hybrid network is based on low-cost hardware, called a Proxy that coordinates a LoRa Mesh Network and transparently connects the devices on that network to the LoRaWAN network. This solution enables device communication in shadow areas of LoRaWAN coverage, in addition to the possibility of extending the LoRaWAN coverage area through the LoRa Mesh network.