Caracterizac¸a˜o de uma Rede Sem-fio de Baixa Poteˆncia e Longo Alcance para Internet das Coisas FernandoM.Ortiz1,PedroCruz1, RodrigodeS.Couto1,2 eLu´ısHenriqueM.K.Costa1 ∗ 1UniversidadeFederaldoRiodeJaneiro-PEE/COPPE/GTA 2UniversidadedoEstadodoRiodeJaneiro-PEL/DETEL/FEN {fmolano,cruz,luish}@gta.ufrj.br, [email protected] Abstract. LoRa technology, which is increasingly employed in the Internet of Things, implements low-power and long-range networks. Depending on these characteristics,LoRamayormaynotbesuitableforcertainapplications. Thus, itisimportanttounderstandhowpowerandrangedependonnetworkparame- ters and the scenario. This work analyses the communication between LoRa nodes and their performance according to the distance between them and the spreadingfactor. ThelatterisaparameteroftheLoRamodulationthatreduces therateoflosswithconsequentreductionofthetransmissionrate. Forexample, the results show that increasing this factor from 7 to 11 reduces the loss rate from50%to13%fortransmissionsatadistanceof2km. Resumo. A tecnologia LoRa, que e´ cada vez mais empregada em Internet das Coisas, implementa redes de baixa poteˆncia e longo alcance. Dependendo des- sas caracter´ısticas, a LoRa pode ser adequada ou na˜o para certas aplicac¸o˜es. Assim,e´ importanteentendercomopoteˆnciaealcancedependemdeparaˆmetros da rede e do cena´rio utilizado. Este trabalho analisa a comunicac¸a˜o entre no´s LoRaeseudesempenhodeacordocomadistaˆnciaentreeleseofatordeespa- lhamento. Esseu´ltimoe´ umparaˆmetrodamodulac¸a˜oLoRaquereduzataxade perdacomconsequentereduc¸a˜odataxadetransmissa˜o. Porexemplo,osresul- tadosmostramqueoaumentodessefatorde7para11reduzataxadeperdade 50%para13%,paratransmisso˜esaumadistaˆnciade2km. 1. Introduc¸a˜o Apoiados no paradigma da Internet das Coisas (Internet of Things – IoT), ob- jetos com capacidade de sensoriamento, processamento e comunicac¸a˜o podem realizar tarefas e se comunicar com outros objetos ou dispositivos. Dependendo da aplicac¸a˜o, a comunicac¸a˜o pode ser dispositivo a dispositivo (Device-to-Device – D2D) ou pode tor- nar tais objetos acess´ıveis atrave´s da Internet [Atzorietal.,2010]. Esses objetos sa˜o de- nominados objetos inteligentes. No contexto de Cidades Inteligentes, esse paradigma tem impulsionado a experimentac¸a˜o e ana´lise de infraestruturas urbanas que permitam a inovac¸a˜o em sistemas de mobilidade, energia e sau´de, entre outros, para servir a populac¸a˜o[Schaffersetal.,2011]. ∗EstetrabalhofoiparcialmentefinanciadopelaCAPES,CNPq,FAPERJepelosprocessosno15/24494- 8eno15/24490-2,daFundac¸a˜odeAmparoa` PesquisadoEstadodeSa˜oPaulo(FAPESP). Os objetos inteligentes teˆm como caracter´ıstica recorrente a limitac¸a˜o em termos de processamento e energia, tornando a comunicac¸a˜o sem-fio um importante desafio. As redes LoRaWAN teˆm como objetivo atender a esse desafio, sendo um tipo de redes de longo alcance e baixa poteˆncia, ou LPWAN (Low Power Wide Area Network). Redes LoRaWAN sa˜o implementadas utilizando a tecnologia LoRa, uma tecnologia de cara´ter proprieta´rio. Outra soluc¸a˜o similar tambe´m proprieta´ria sa˜o as redes SigFox. Este artigo focanatecnologiaLoRa. A te´cnica de modulac¸a˜o do sinal de ra´dio utilizada pelo LoRa e´ o espalha- mento espectral [SemtechCorporation,2015]. Nesta te´cnica, o sinal original e´ espa- lhado no campo da frequeˆncia, aumentando a robustez do sinal a interfereˆncias ex- ternas. Na especificac¸a˜o do LoRa, o espalhamento espectral esta´ relacionado a um paraˆmetro denominado fator de espalhamento (Spreading Factor – SF). O LoRa pode ser configurado com seis valores diferentes para o SF (SF7, SF8, SF9, SF10, SF11 e SF12)[LoRa-Alliance,2015b]. Parafatordeespalhamentoexisteumcompromissoentre a robustez da modulac¸a˜o a interfereˆncias e a taxa de transmissa˜o de bits. Por um lado, o aumento da taxa de transmissa˜o aumenta a vaza˜o da comunicac¸a˜o. Por outro, a perda de robustezainterfereˆnciaspodeinduziraperdasdemensagens,reduzindoavaza˜o. Neste trabalho, e´ realizada uma avaliac¸a˜o da capacidade de comunicac¸a˜o da tec- nologia LoRa. Esta ana´lise e´ realizada em func¸a˜o do paraˆmetro de espalhamento espec- tral, dado que esta e´ uma particularidade da tecnologia: a escolha da modulac¸a˜o confi- gura´vel por software. Como parte deste trabalho, sa˜o desenvolvidos proto´tipos de no´s de comunicac¸a˜o LoRa. A comunicac¸a˜o entre eles e´ testada para diferentes fatores de es- palhamento, a diferentes distaˆncias de comunicac¸a˜o. A taxa de perda de mensagens e a vaza˜o da comunicac¸a˜o sa˜o medidas, a fim de avaliar a efica´cia de cada fator de espalha- mento, para cada distaˆncia. Os resultados obtidos mostram que o aumento desse fator de 7 para 11 reduz a taxa de perda de 50% para 13%, para transmisso˜es a uma distaˆncia de 2km. Ale´m disso, tambe´m e´ avaliada a qualidade do enlace em termos da relac¸a˜o sinal- ru´ıdo(Signal-to-NoiseRatio–SNR),verificandoqueoenlaceesta´ dentrodosparaˆmetros deoperac¸a˜odatecnologia. Diferentes soluc¸o˜es teˆm envolvido o uso da tecnologia LoRa com o objetivo de cobrir grandes a´reas geogra´ficas, em diferentes ambientes. Assim, faz-se necessa´rio ava- liar caracter´ısticas fundamentais da tecnologia, com o objetivo de aproveitar a ma´xima capacidade e eficieˆncia dos dispositivos que implementam o LoRa. Alguns trabalhos da literatura teˆm avaliado o comportamento do LoRa em presenc¸a de velocidade e efeito Doppler [Peta¨ja¨ja¨rvietal.,2017], em ambientes indoor [Neumannetal.,2016] e out- door[Peta¨ja¨ja¨rvietal.,2015],geolocalizac¸a˜o[BaharudineYan,2016],todosfocadosem avaliar o desempenho da LoRa em diferentes ambientes. Assim, o presente artigo com- plementa a literatura ao realizar uma avaliac¸a˜o do fator de espalhamento, paraˆmetro de configurac¸a˜oimportantedacamadaf´ısicadoprotocolo,einvestigarcomoavariac¸a˜odesse paraˆmetro influencia o desempenho da rede, de acordo com as condic¸o˜es de poteˆncia e distaˆncia entre os no´s. Entre outras me´tricas, verifica-se o impacto da escolha do fator de espalhamentonavariac¸a˜odavaza˜oobtidanaredeedaperdadepacotes. Estetrabalhoesta´ organizadodaseguinteforma. ASec¸a˜o2descreveatecnologia LoRa, mostrando a camada f´ısica (LoRa PHY) e o protocolo que define a arquitetura de comunicac¸a˜oedeacessoaomeiodoLoRa,oLoRaWAN.ASec¸a˜o3discuteostrabalhos relacionados. Ja´ a Sec¸a˜o 4 apresenta a metodologia de medidas utilizada neste trabalho, assim como o proto´tipo de hardware, baseado no Arduino, implementado para os expe- rimentos. A Sec¸a˜o 5 mostra os experimentos e resultados obtidos. Por fim, a Sec¸a˜o 6 concluiotrabalhoeapresentadesafiosfuturos. 2. Tecnologias LoRa e LoRaWAN LoRa (Long Range)1 e´ uma especificac¸a˜o proprieta´ria para redes de grande al- cance e de baixa poteˆncia, focada em ”coisas”(things), isto e´, dispositivos presentes no cotidiano dos usua´rios e que seguem o paradigma IoT. O LoRa define uma camada f´ısica (PHY) que procura atender aos requisitos de baixo consumo de energia dos objetos inte- ligentesee´ utilizadaparaimplementaroprotocoloLoRaWAN. O LoRaWAN define a arquitetura do sistema e paraˆmetros de comunicac¸a˜o e de acesso ao meio (Medium Access Control – MAC) que utiliza a camada f´ısica LoRa. O LoRaWAN define taxas de velocidade de dados, suporte a` comunicac¸a˜o bidirecional e oferta de servic¸os de mobilidade e localizac¸a˜o dos no´s da rede. Diferente do LoRa PHY, aespecificac¸a˜odoprotocoloLoRaWANe´ abertaedivulgadaaopu´blicodesde2015. AredeLoRaWANe´ compostaportreˆstiposdedispositivos: terminais,gatewayse servidores. Osdispositivosterminaissa˜oobjetosinteligentes,tipicamente,comrestric¸o˜es energe´ticas. Podem ser sensores, atuadores ou outros tipos de dispositivos inteligentes. Os gateways sa˜o dispositivos com restric¸o˜es mais leves em termos de energia e proces- samento, que servem de ligac¸a˜o entre o LoRaWAN e outras redes. Os servidores sa˜o dispositivos que recebem e analisam as informac¸o˜es enviadas pelos dispositivos termi- nais ou que comandam os dispositivos terminais [Bankovetal.,2016, Razaetal.,2017, Boretal.,2016]. Ademais, o LoRaWAN possui uma topologia em estrela de estrelas. A Figura1ilustraatopologiadeumaredeLoRaWAN.Acomunicac¸a˜oemtecnologiaLoRa seda´ entreosdispositivosterminaiseosgateways. Servidor Terminal Terminal Terminal Gateway Gateway Terminal Internet Terminal Terminal Gateway Terminal Terminal Terminal Figura1. ExemplodetopologiaparaumaredeLoRaWAN. Aespecificac¸a˜odas redesLoRaWAN definetreˆsclasses dedispositivos terminais em sua arquitetura para atingir diferentes tipos de servic¸o: classe A, classe B, e classe C [Centenaroetal.,2016]. Nos dispositivos classe A o no´ terminal pode enviar mensa- gens para o no´ gateway a qualquer momento. Entretanto, o dispositivo terminal so´ fica 1https://www.lora-alliance.org dispon´ıvelpararecepc¸a˜odurantejanelasdetempodenominadasjanelasderecepc¸a˜o. Du- rante essas janelas, o gateway pode enviar mensagens para o dispositivo terminal. Um dispositivo classe A inicia a comunicac¸a˜o com o gateway e, apo´s a transmissa˜o, inicia uma janela de recepc¸a˜o, aguarda um determinado intervalo de tempo e inicia uma se- gundajaneladerecepc¸a˜o. Umanovajaneladerecepc¸a˜oapenassera´ abertaapo´sumanova transmissa˜o do mesmo dispositivo classe A. Esse modo de operac¸a˜o deve ser implemen- tado por todos os dispositivos LoRa. Nos dispositivos classe B, o processo e´ semelhante ao da classe A. O dispositivo classe B tambe´m abre duas janelas de recepc¸a˜o apo´s reali- zar uma transmissa˜o. Pore´m, adicionalmente, os dispositivos classe B abrem janelas de recepc¸a˜ocomtemposagendados,configuradosatrave´sdemensagensdebeaconemitidas pelo gateway. Os beacons tambe´m sa˜o responsa´veis pelo sincronismo entre os dispo- sitivos terminais e os dispositivos gateway. Nos dispositivos classe C, os dispositivos terminaisesta˜osempredispon´ıveisparaarecepc¸a˜odemensagens[Boretal.,2016]. Uma vez que e´ necessa´rio consumir energia para realizar a recepc¸a˜o de mensa- gens, as classes de operac¸a˜o se diferenciam na˜o so´ pelo cara´ter da bidirecionalidade da comunicac¸a˜o,mastambe´mpeloconsumodeenergia. Aoperac¸a˜oemmodoclasseA,por exemplo, pode servir a dispositivos que sejam sensores e cujo tra´fego de dados seja ma- joritariamente a entrega de dados coletados ao gateway, com o menor custo de energia. Um exemplo de aplicac¸a˜o para a operac¸a˜o em classe B e´ em dispositivos que sejam sen- sores e atuadores que, a intervalos regulares, recebam ordens de atuac¸a˜o, com um custo energe´tico intermedia´rio. O modo de operac¸a˜o em classe C, por outro lado, serve para sensores e atuadores que possam receber ordens de atuac¸a˜o a qualquer momento, a um customaiordeenergia. Tambe´m e´ definido um ciclo de trabalho (duty cycle) para os dispositivos, que e´ espec´ıfico para cada regia˜o, uma vez que os o´rga˜os de regulac¸a˜o de cada pa´ıs possuem regrasespec´ıficas. Estetrabalhona˜oavaliaociclodetrabalhoearelac¸a˜oentreociclode trabalhoeodesempenhodeumaredeLoRaWAN. Acamadaf´ısica(PHY)datecnologiaLoRamodulasinaisemsub-bandasdera´dio dafaixadefrequeˆnciasna˜olicenciadasISM(Industrial,ScientificandMedical)naordem dosMHz(Unia˜oEuropeia: 868MHze433MHz,EstadosUnidosdaAme´rica: 915MHz e 433 MHz) [Boretal.,2016, Centenaroetal.,2016]. Para o Brasil, de acordo com a Ageˆncia Nacional de Telecomunicac¸o˜es (Anatel), a faixa de frequeˆncia regulamentada para ISM e´ entre 902MHz e 928MHz. O LoRa PHY usa correc¸a˜o antecipada de erros (Forward Error Correction – FEC) e uma te´cnica de modulac¸a˜o de espalhamento espec- tral proprieta´ria, uma variante do espalhamento espectral por chirp (Chirp Spread Spec- trum – CSS), que usa um pulso para fazer varredura das frequeˆncias, a fim de expandir o sinalespectral[Boretal.,2016,LoRa-Alliance,2015a]. 2.1. ParaˆmetrosdeConfigurac¸a˜odoLoRa O consumo de energia, a faixa de transmissa˜o e a resisteˆncia a` interfereˆncia do ru´ıdo podem ser determinados a partir de quatro paraˆmetros de configurac¸a˜o do da camada f´ısica do LoRa: a frequeˆncia da portadora, que define a frequeˆncia central para a banda de transmissa˜o; a largura de banda, que define o tamanho da faixa de frequeˆncias utilizada; a taxa de co´digo (Code Rate – CR), que define a taxa de FEC e o fator de espalhamento (Spreading Factor – SF), que define o espalhamento espec- tral[SemtechCorporation,2013,Boretal.,2016]. A frequeˆncia da portadora e´ definida de acordo a regia˜o de operac¸a˜o dos equipa- mentos. Assimsendo,esseparaˆmetrona˜oe´,emgeral,ajusta´veldeacordocomaplicac¸o˜es. A largura de banda (BW), por sua vez, possui treˆs larguras programa´veis: 125kHz, 250kHz e 500kHz nas especificac¸o˜es gerais do LoRa. A largura de banda com maior capacidadedetransmissa˜odedadose´ ade500kHz. Assimsendo,estetrabalhoconsidera apenasalarguradebandade500kHz. A taxa de co´digo (CR) e´ relacionada com a te´cnica de FEC. A CR define quantos bits sa˜o utilizados para causar redundaˆncia na mensagem, a fim de realizar a recuperac¸a˜o deerros. ACRdefineataxadecodificac¸a˜oT [SemtechCorporation,2015]como: c 4 T = , comCR ∈ {1,2,3,4}. (1) c 4+CR A especificac¸a˜o LoRa define seis valores diferentes para o paraˆmetro de fator de espalhamento: SF7, SF8, SF9, SF10, SF11 e SF12 [SemtechCorporation,2015]. Tambe´m e´ definida uma taxa de transmissa˜o R teo´rica, definida em func¸a˜o do fator de b espalhamentocomo: T ×BW c R = SF × , comSF ∈ {7,8,9,10,11,12}. (2) b 2SF A Tabela 1 exibe os valores teo´ricos de taxa de transmissa˜o de diferentes fatores de espalhamento, para uma CR igual a 4/5 e uma largura de banda de 500kHz. Esses va- lores teo´ricos sa˜o utilizados como refereˆncia para a ana´lise de desempenho contida neste trabalho. ASec¸a˜o4comparaessesvalorescomvaloresobtidosexperimentalmente,afim deestabelecerbasesparaasaplicac¸o˜esqueutilizamLoRaeLoRaWANcomotecnologias decomunicac¸a˜o. Tabela1. Valoresteo´ricosdetaxadetransmissa˜oemfunc¸a˜odoSF. Fatordeespalhamento Taxadetransmissa˜oteo´rica(bits/s) SF7 21875 SF8 12500 SF9 7031 SF10 3906 SF11 2148 SF12 1172 3. Trabalhos Relacionados Os autores de [Peta¨ja¨ja¨rvietal.,2017] realizam uma ana´lise teo´rica e experimen- tal do LoRa em redes LPWAN. Sa˜o avaliadas me´tricas de desempenho utilizando um dispositivo final mo´vel para se observar a influeˆncia do efeito Doppler, caracterizar a taxa de entrega do LoRaWAN baseado em um modelo teo´rico e, por fim, realizar uma avaliac¸a˜o de me´tricas de desempenho em experimentos pra´ticos. Petajajarvi et al. consi- deram o modelo de efeito Doppler definido como a variac¸a˜o da frequeˆncia de uma fonte deslocando-se e emitindo com respeito a um receptor esta´tico. Em raza˜o da te´cnica de modulac¸a˜odoLoRa,oespalhamentoespectralporchirp,seataxadechirpe´ alta,istofaz com que as mudanc¸as de tempo geradas pelas variac¸o˜es de frequeˆncia do efeito Doppler na˜osejamsignificativas,fazendocomqueodesempenhodoLoRapoucosedeterioreem presenc¸a do efeito Doppler. Pore´m, uma taxa de chirp baixa produzira´ uma mudanc¸a de tempo significativa e, portanto, uma taxa de recepc¸a˜o baixa. Em uma segunda fase, e´ caracterizadaataxadeentregadeumdispositivoterminal(EndDevice–ED).Paratanto, e´ avaliado o tempo de um quadro LoRaWAN para a modulac¸a˜o LoRa e a modulac¸a˜o GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying), visto que o LoRa esta´ visado para oferecer umasensibilidadederecepc¸a˜omaiorsobreoGFSK. Partindo dessa avaliac¸a˜o, o tamanho da carga u´til ma´xima dependera´ do modo de transmissa˜o configurado no ED. Tambe´m e´ avaliada a taxa de entrega em presenc¸a dos regulamentosdefrequeˆnciaparabandasna˜olicenciadasISM,eporu´ltimo,Petajajarviet al. avaliam a escalabilidade e capacidade da rede. Foram feitos experimentos pra´ticos em treˆs cena´rios: (i) um cena´rio com um no´ deslocando-se em um eixo horizontal para gerar variac¸o˜es de velocidade angular, (ii) um no´ em um ve´ıculo comunicando-se com um receptor esta´tico, e (iii) um no´ em um ambiente veicular e um no´ em um transporte aqua´tico para medir a cobertura exterior. Este trabalho busca relacionar o fator de espa- lhamento com as mudanc¸as de poteˆncia, sem focar na mobilidade constante da unidade transmissora. Em[BaharudineYan,2016],osautoresimplementamumproto´tipocomDragino LoRa nos dispositivos terminais, e um dock (semelhante a um gateway), pore´m, sem as restric¸o˜es de ciclo de trabalho. A poteˆncia do sinal recebido (Received Signal Strength Indication – RSSI) dos dispositivos terminais e´ avaliada de acordo com a variac¸a˜o da distaˆncia para o dock. Os dados enviados entre os no´s correspondem a informac¸o˜es de GPS (latitude, longitude, velocidade, curso e marca de tempo (timestamp)). Os auto- res demonstram como a coexisteˆncia de mu´ltiplos sensores pode degradar a qualidade do sinal de recepc¸a˜o, devido a` interfereˆncia de redes de sensores vizinhas. No entanto, os resultados do RSSI do sinal da rede de sensores permitiram concluir que, devido a` sensibilidade de recepc¸a˜o do LoRa, esta e´ uma tecnologia sem-fio apropriada para gran- desdistaˆncias. Estetrabalhoidentificaocomportamentodapoteˆnciadosinalrecebidoea relac¸a˜odiretacomadistaˆnciaqueoLoRapodeatingir,mastambe´mavaliaasimplicac¸o˜es do fator de espalhamento no desempenho do enlace em relac¸a˜o a capacidade ma´xima, vaza˜oequalidadedosinal. Os autores de [Centenaroetal.,2016] fazem uma comparac¸a˜o de diferentes tec- nologias de redes de baixa poteˆncia e longo alcance (Low Power Wide Area Network – LPWAN)ee´ realizadaumadescric¸a˜oespec´ıficadatecnologiaLoRa. Sa˜oexecutadosdois experimentos: primeiramente, e´ implementada uma rede privada LoRa para controlar as varia´veis de temperatura e umidade de um edif´ıcio de 19 andares. A seguir, e´ realizada uma ana´lise de cobertura e alcance. Para isso, Centenaro et al. implementam uma rede LoRaemPadova,Ita´lia,comumaa´reade100km2. Baseadonoalcanceteo´ricodeumno´ (em torno de 2km), foi assumida uma cobertura nominal de 1,2km. Conclui-se que com 30gatewaysseriaposs´ıvelcobrirate´ 7.000habitantesporgateway. Outros trabalhos apresentam experimentos com a tecnologia LoRa em diferentes a´reasdeaplicac¸a˜o. Em[Toldovetal.,2016],osautoresutilizamatecnologiaLoRaparao rastreamento de animais selvagens. Ja´ os autores de [Kimetal.,2016] avaliam o desem- penho do LoRa com respeito a` distaˆncia, comparando a tecnologia com o IEEE 802.11, obtendo maior sensibilidade em recepc¸a˜o, pore´m mais baixa taxa de dados, como espe- rado. Poroutrolado,[Neumannetal.,2016]implementamumaredeproto´tipoLoRacom um gateway, um dispositivo terminal, e um servidor de rede LoRa, para avaliar o desem- penho em uma edificac¸a˜o. O no´ e´ deslocado por diferentes pontos e diferentes andares dentro da edificac¸a˜o. Sa˜o avaliados o rendimento, a sensibilidade de recepc¸a˜o, a relac¸a˜o sinal-ru´ıdo,aperdadepacotes,oconsumoenerge´ticoeoatrasodetransmissa˜o. Opresentetrabalhofazumaavaliac¸a˜odatecnologiaLoRa,analisandoasme´tricas dedesempenhodetaxadeperda,aSNR,apoteˆnciadosinaleavaza˜odaredeemfunc¸a˜o dos diferentes fatores de espalhamento e diferentes distaˆncias entre os no´s. Tais ex- perimentos teˆm o intuito de compreender como as variac¸o˜es de distaˆncia estabelecem condic¸o˜esdiferentesparaocomportamentodeumaredeLoRaeLoRaWAN.Ale´mdisso, preenchem uma lacuna da literatura, pois avaliam o desempenho do LoRa em func¸a˜o de diferentesconfigurac¸o˜esdemodulac¸a˜onacamadaf´ısica. 4. Metodologia de Avaliac¸a˜o da Tecnologia LoRa Os experimentos realizados para a avaliac¸a˜o da tecnologia LoRa consistem de medic¸o˜es pra´ticas de taxa de perda, poteˆncia do sinal e relac¸a˜o sinal-ru´ıdo (SNR), em func¸a˜o de diferentes configurac¸o˜es do fator de espalhamento utilizado na modulac¸a˜o. O objetivo e´ estabelecer paraˆmetros de funcionamento dos dispositivos usados e verificar a viabilidadedeimplementac¸a˜oparadiferentescena´riosdaInternetdasCoisas. 4.1. Proto´tipoExperimentalDesenvolvido A fim de realizar a avaliac¸a˜o desejada, um proto´tipo foi implementado com duas unidades de comunicac¸a˜o LoRa. Uma delas e´ configurada para enviar mensagens e e´ de- nominada unidade transmissora. A arquitetura da unidade transmissora pode ser vista na Figura 2(a). A unidade transmissora possui um controlador que gerencia as operac¸o˜es de sensoriamento, localizac¸a˜o e comunicac¸a˜o. O sensoriamento e´ executado pelo sensor de temperatura e umidade, a localizac¸a˜o e´ provida pelo receptor GNSS (Global Navigation SatelliteSystem)eacomunicac¸a˜oe´ realizadapelainterfacesem-fioLoRa. Receptor Interface GNSS sem-fio Sensor de Controlador temperatura Interface Controlador e umidade sem-fio (a) Arquitetura da unidade transmis- (b) Arquiteturadaunidadereceptora. sora. Figura2. Arquiteturadoproto´tipodesenvolvido. A outra unidade e´ configurada apenas para receber mensagens e e´ denominada unidade receptora. A arquitetura da unidade receptora e´ ilustrada na Figura 2(b). Esta e´ maissimples,compostabasicamentedeumcontroladoreumainterfacesem-fioLoRa. ATabela2forneceaespecificac¸a˜odoscomponentesdaunidadetransmissoraim- plementada para os experimentos. O controlador da unidade transmissora consiste em um Arduino Uno. O controlador esta´ conectado a um mo´dulo de GPS e a um mo´dulo LoRaWAN da Dragino, ambos no formato de escudo (shield). O mo´dulo LoRaWAN e´ baseadonaplacaRF96daSemtech,queoperanafrequeˆnciade915MHz. E´ utilizadauma antena de 7dBi, do fabricante D-Link, para a transmissa˜o do sinal LoRa. A Figura 3(a) mostraoproto´tipof´ısicodaunidadetransmissora. Tabela2. Componentesutilizadosnaunidadetransmissora. Mo´dulo Equipamento Fabricante Controlador ArduinoUnoR3 Arduino ReceptorGNSS U-bloxNEO-6M DuinoPeak Interfacesem-fio LoRaShieldRF96 Dragino AntenaLoRa Antena7dBi D-Link SensordeUmidadeDHT22 Aosong Sensores SensordeTemperaturaDHT22 Aosong A unidade receptora, cujos equipamentos esta˜o listados na Tabela 3, consiste em um Arduino Yu´n conectado a um mo´dulo LoRaWAN da Dragino, ideˆntico ao mo´dulo utilizado na unidade transmissora. Assim como na unidade transmissora, e´ utilizada uma antena de 7 dBi de fabricac¸a˜o da D-Link, pore´m, para a recepc¸a˜o do sinal LoRa. A Figura3(b)mostraoproto´tipof´ısicodaunidadereceptora. Tabela3. Componentesutilizadosnaunidadereceptora. Mo´dulo Equipamento Fabricante Controlador ArduinoYu´n Arduino Interfacesem-fio LoRaShieldRF96 Dragino AntenaLoRa Antena7dBi D-Link (a) Unidadetransmissora. (b) Unidadereceptora Figura3. Proto´tiposdoexperimento. O mo´dulo LoRa utilizado permite a comunicac¸a˜o com o Arduino por meio do protocolo SPI (Serial Peripheral Interface Bus). O mo´dulo de GPS utiliza comunicac¸a˜o serial com o controlador Arduino UNO. As unidades transmissora e receptora sa˜o pro- gramadas como dispositivos classe A, utilizando a biblioteca RadioHead2. A poteˆncia de transmissa˜o foi estabelecida em 14dBm, a largura de banda e´ configurada para 500kHz eoCRutilizadoe´ 4/5. 2https://github.com/PaulStoffregen/RadioHead. O controlador da unidade transmissora e´ programado de forma que, para cada valor de SF programado, sejam transmitidos pacotes, numerados de 0 a 50. Os pacotes sa˜opreenchidoscomanumerac¸a˜o,ascoordenadasdeposic¸a˜oindicadaspeloGPS,assim como com a temperatura e a umidade medidas pelo sensor. O espac¸o restante em cada pacotee´ preenchidocomcaracteresaleato´riosate´ queomesmoestejacheio. Osvaloresde SFprogramadossa˜oSF7,SF8,SF9,SF10eSF11. E´ importantenotarqueostamanhosde pacotevariamdeacordocomovalorutilizadoparaoSF.ATabela4mostraostamanhos dequadrosusadosparaoexperimento;foramusadostantosbitsquantoposs´ıvel,ate´ obter a ma´xima capacidade do quadro para cada SF. Para todos os SF foram usados 64 bits de preaˆmbulo. Tabela4. Tamanhodosquadrosparacadafatordeespalhamento. Fatordeespalhamento Tamanhodoquadro(bits) SF7 904 SF8 864 SF9 832 SF10 760 SF11 736 O controlador da unidade transmissora tambe´m envia o conteu´do das mensagens parasuainterfaceUSBeumsinalquandoamensagemna˜oe´ respondidaporumreceptor, apo´sumintervalodetempoconfigurado. Ocontroladordaunidadereceptora,porsuavez, executa um co´digo que recebe pacotes. A cada pacote recebido, sa˜o medidos a poteˆncia dosinaldoenlace,arelac¸a˜osinal-ru´ıdo(SNR)etambe´me´ obtidaumamarcadetempo. O controladordaunidadereceptora,enta˜o,enviaopacoterecebidoeosdadosmedidospara a interface USB. O controlador Arduino Yu´n da unidade receptora e´ conectado por sua interfaceUSB(UniversalSerialBus)aumnotebook,paraqueospacoteseosdadossobre elessejamarmazenados. Ocontroladordaunidadereceptoratemumsistemaoperacional Linuxembarcado,visadoparaimplementaroutrasfuncionalidadesnoproto´tipo. 4.2. Cena´riodosExperimentos O cena´rio utilizado para os experimentos e as medic¸o˜es para avaliac¸a˜o da tecno- logia LoRa foi o campus da Ilha do Funda˜o da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ). Foi estabelecido um ponto para a localizac¸a˜o da unidade receptora e cinco pon- tos para a localizac¸a˜o da unidade transmissora, de forma que, em diferentes momentos, a unidade transmissora estivesse a uma distaˆncia de 0m, 500m, 1000m, 1500m e 2000m da unidade receptora, como mostrado na Figura 4(a). Buscou-se locais que possu´ıssem o m´ınimo de fontes de interfereˆncia entre si, com prefereˆncia a locais entre os quais hou- vesselinhadevisa˜oentreaunidadetransmissoraeaunidadereceptora,naFigura4(b). A unidade receptora estava localizada no se´timo andar do bloco A do Centro de Tecnologia da UFRJ, destacado na Figura 4(a) como ponto em 0m. Para cada valor de distaˆncia, a unidade transmissora e´ localizada em um local diferente mostrado na Fi- gura4(a). Osexperimentossa˜orealizadosnoper´ıodododia,compoucasnuvens,tempe- ratura variando entre 32oC e 35oC, umidade variando entre 65% e 75%, com tra´fego de ve´ıculos normal. Para cada distaˆncia entre a unidade transmissora e a unidade receptora, dezsequeˆnciasdepacotesnumeradosde0a50sa˜oenviadas. (a) (b) Figura 4. Cena´rio e equipamentos do proto´tipo desenvolvido. (a) Local dos ex- perimentos. (b) Proto´tipos do experimento. A` esquerda, unidade receptora. A` direita,unidadetransmissora. 5. Resultados Experimentais Esta sec¸a˜o apresenta os resultados obtidos no envio de pacotes da unidade trans- missora para a unidade receptora. Sa˜o apresentados resultados para a taxa de perda, poteˆncia de sinal, SNR e vaza˜o. Todos os resultados sa˜o apresentados com intervalo deconfianc¸ade95%,representadoporbarrasdeerroverticaisnosgra´ficos. 5.1. MedidasdeTaxadePerdadePacotes Osresultadosassociadosa` taxadeperdadoenviodepacotesentreasduasunida- des sa˜o apresentados na Figura 5. Para isso, foi avaliada a porcentagem de pacotes per- didos a diferentes distaˆncias, para diferentes valores de SF. Enquanto o SF11 apresenta uma certa quantidade de perdas na distaˆncia de 0m verifica-se pela barra de erro que os resultados variaram bastante, apontando para alguma fonte de interfereˆncia ocasional. Ja´ o SF7 teve a maior perda entre todas as configurac¸o˜es, a` maior distaˆncia, de 2000m. Pore´m, na distaˆncia de 1000m, observa-se uma taxa de perda de 25%. Acredita-se que esta degradac¸a˜o do sinal representada em perda de pacotes para o SF7 esta´ associada a` vegetac¸a˜opresentenocena´rionoqualfoidesenvolvidooexperimento. 60 SF7 SF8 50 SF9 SF10 %) SF11 a ( 40 d r e 30 P e d a 20 x a T 10 0 0 500 1000 1500 2000 Distância (m) Figura5. Taxadeperdamedidanosexperimentoscomoproto´tipoproduzido.