SlideShare uma empresa Scribd logo
1 de 9
Baixar para ler offline
An´alise de Throughput em redes LoRa utilizando NS3
Janio A. Medeiros1
, Marcelo Rubinstein 2
1
Programa de P´os-Graduac¸˜ao em Engenharia Eletrˆonica (PEL)
Universidade Estadual do Rio de Janeiro (UERJ)
pel@uerj.br – Rio de Janeiro – RJ – Brazil
jamfmg@gmail.com, rubi@uerj.br
Abstract. In the context of Internet of Things (IoT), this work contemplates a
study that has as its central focus the investigation of LoRa technology, motiva-
ted by the behavior analysis of the LoRaWAN protocol. Fostered by the study
of QoS in the Wireless Networks discipline. The main objective of this rese-
arch is to analyze the protocol throughput, performing simulations in simulated
environment using Network Simulator version 3. In this endeavor will be si-
mulations with two algorithms in c ++ language, one to verify the behavior of
the 4-node scenario and the other with 200 nodes. The article demonstrates the
results obtained comparatively, verifying the standard deviation and the mean
of the data collected during the tests.
Resumo. No contexto de Internet das Coisas (IoT - Internet of Things), este tra-
balho contempla um estudo com focado em realizar a an´alise da tecnlogia LoRa,
motivado pela an´alise do comportamento do protocolo LoRaWAN. Fomentado
pelo no estudo de QoS na disciplina de Redes Sem Fio. O objetivo principal
desta investigac¸˜ao ´e analisar 0 throughput e a escalabilidade do protocolo, re-
alizando ensaios em ambiente simulado utilizando com o Network Simulator
vers˜ao 3. Nesta empreitada ser˜ao realizadas simulac¸˜oes com dois algoritmos
na lingugem c++, sendo um para verificar o comportamento do cen´ario com
4 n´os e o outro com 100 n´os. O artigo demonstra os resultados obtidos de
forma comparativa, verificando o desvio padr˜ao e a m´edia dos dados coletados
durante a realizac¸˜ao dos ensaios.
1. Introduc¸˜ao
´E inconcuso que o aforc¸urado surgimento da Internet Das Coisas (IoT) apresenta-se com
o compromisso de tornar in´umeros objetos inanimados do mundo em objetos com capaci-
dade de sensoriamento, processamento e dotados de Intelegˆencia Artificial, permitindo a
comunicac¸˜ao direta entre diversos equipamentos e seus usu´arios. Estas ac¸˜oes s˜ao realiza-
das por meio de sensores e conex˜oes sem fio, sob a proposta de operac¸˜oes remotas eficien-
tes, alicerc¸adas no argumento de tornar a vida cotidiana mais qualitativa, proporcionando
a manipulac¸˜ao inteligente de dados e consequentemente melhorando a automac¸˜ao de pro-
cessos, permitindo o aprendizado de comportamentos habituais, podendo desta forma
identificar e tratar eventualidades em qualquer sistema desta magnitude.
Deste modo a IoT vem se tornando um paradigma tecnol´ogico promissor, atraindo
o interesse de pesquisa e desenvolvimento em diversas ´areas de conhecimento. Prevˆe-se
que haver´a de 26 a 50 bilh˜oes de dispositivos conectados `a Internet at´e 2020 e 100 bilh˜oes
at´e 2030 [Ortiz 2018].
Assim ´e importante ressaltar que a Internet das Coisas gera a necessidade de no-
vas tecnologias sem fio, a qual ter´a de suportar o gigantesco n´umero de dispositivos que
estar˜ao presentes neste novo cen´ario. Esses dispositivos formar˜ao uma rede de longa
distˆancia de baixa potˆencia caracterizadas por por redes (LPWAN), Low Power Wide
Area Network e que por sua vez demandam vida ´util longa em seus dispositivos, podendo
estes, estar em ambientes hostis e na maioria das vezes em locais de dificil acesso.
Este artigo tem como cerne abordar a tecnologia LoRa, pois atualmente ´e a tecno-
logia LPWAN emergente, open source e amplamente implantada, sendo considerada por
grande parte dos desenvolvedores, como base para solidificac¸˜ao da IoT.
O presente documento est´a organizado da seguinte forma: A Sec¸˜ao 2 apresenta
os trabalhos relacionados, a Sec¸˜ao 3 aponta a uma vis˜ao geral da tecnologia LoRa e o
protocolo LoRaWAN e sua respectiva arquitetura. Na sec¸˜ao 4 ´e apresentado os m´etodos
utilizados nessa empreitada onde s˜ao descritas as simulac¸˜oes realizadas no NS-3, assim
como s˜ao apresentados os algoritmos utilizados e consequentemente exibindo os resulta-
dos obtidos e conclusivamente a Sec¸˜ao 5 encerra o trabalho denotando as considerac¸˜oes
finais. exibindo os os resultados coletados
2. Trabalhos Relacionados
Para a concepc¸˜ao deste artigo fora necess´ario a leitura de diversos trabalhos correlatos
encontrados na literatura. Os artigos encontrados podem ser divididos em trˆes eixos:
Trabalhos que analisam o desempenho da rede LoRa atrav´es de prot´otipos experimentais;
trabalhos que comparam a tecnologia LoRa com outras tecnologias de redes sem fio e
trabalhos que analisam o LoRa em simulac¸˜oes computacionais como ´e o caso deste artigo.
Cheong Et al (2017, p.4) avalia a escalabilidade das redes LoRa e compara a taxa
de transferˆencia e alcance para duas diferentes tecnologias: chirp spread spectrum (CSS),
usado pela rede LoRa e ultra-narrowband (UNB), usado pela Sigfox. A rede Sigfox ´e de-
finida pela concepc¸˜ao de dispositivos remotos conectem-se a um ponto de acesso com a
Banda Ultra Narrow (UNB). Esta por sua vez trata-se de uma tecnologia propriet´aria, de-
senvolvida e entregue pela empresa francesa Sigfox, deste modo nenhuma especificac¸˜ao
t´ecnica p´ublica detalhada est´a dispon´ıvel. A Sigfox opera na faixa dos 868 MHz, com o
espectro dividido em 400 canais de 100 Hz.
Em resumo o estudo mostra que uma rede UNB tem melhor desempenho em longo
alcance de comunicac¸˜ao, `as custas da taxa de transferˆencia dispon´ıvel para cada disposi-
tivo. Paralalelamente apresenta tambem que que as redes CSS, por outro lado, s˜ao mais
adequadas para aplicativos que possuem taxas de bits mais elevadas e que n˜ao exigem um
intervalo t˜ao longo de slots de tempo. Desta forma fica a evidˆencia de que o protocolo
LoRaWAN n˜ao ´e capaz de atender a todos os diferentes requisitos de implantac¸˜oes IoT,
e que dependendo da situac¸˜ao espec´ıfica, os requisitos podem ser muito diferentes, o que
implica na utilizac¸˜ao de outras tecnologias de (LPWAN), como por exemplo a rede Sigfox
pode ser mais adequado para esse caso de uso espec´ıfico.
Em (MIKHAYLOV et al, 2016), consideraram a norma Europeia para a faixa de
frequˆencia ISM (Industrial, Scientific and Medical) 868 MHz para determinar a capa-
cidade te´orica para um m´odulo LoRaWAN, bem como a densidadede n´os por km para
diversos cen´arios de aplicac¸˜oes e diferentes configurac¸˜oes de taxas de dados. Os resul-
tados apresentados mostram que a grande maioria dos n´os devem ficar nas proximidades
do gateway, limitando os tipos de aplicac¸˜oes e o alcance da tecnologia.
Em uma linha semelhante, os autores em (BOR et al., 2016), considerando
parˆametros pr´aticos e utilizando uma ferramenta de simulac¸˜ao, mostraram que o desempe-
nho da rede cai `a medida que o n´umero de n´os aumenta, isto v´alido para uma configurac¸˜ao
est´atica da rede e com um gateway que comporta aproximadamente 120 n´os mantendo
uma taxa de extrac¸˜ao de dados superior a 90%. O mesmo trabalho mostra que a capaci-
dade da rede se torna consideravelmente maior se forem utilizados m´ultiplos gateway‘s
com configurac¸˜ao dinˆamica.
Sob estes argumentos fica a percepc¸˜ao do empenho acadˆemico voltado a an´alise
de diversos parˆametros da tecnologia LoRa sob o intuito de aprimorar as deficiˆencias
propondo soluc¸˜oes t´ecnicas para a maturidade e solidificac¸˜ao deste novo paradigma com-
putacional.
3. Vis˜ao Geral Tecnologia Lora
A tecnologia LoRa foi desenvolvida pela start-up francesa Cycleo a qual desenvolveu
a tecnologia de Modulac¸˜ao LoRa. Em 2012 a empresa Semtech adquiriu a start-up e
licenciou como propriedade intelectual da Microchip, HopeRF dentre outras pertencentes
ao cons´orcio LoRa Alliance, que atualmente ´e o ´unico fabricante de circuitos integrados
LoRa do mercado. Como mencionado nas entrelinhas acima algumas das ofertas LPWAN
s˜ao propriet´arias, mas a tecnologia LoRaWAN mant´em-se open source.
De acordo com [Cheong Et al 2017,p.1] ”A tecnologia Lora consiste na camada
f´ısica da rede, e de acesso ao meio (Medium Access Control – MAC), em sua camada de
radio ´e baseada em uma t´ecnica conhecida por ”chirp spread spectrum modulation”,(CSS)
a qual resulta em baixa sensibilidade, permitindo transmiss˜oes a longas distˆancias com
alcance de aproximadamente 12Km de conectividade em ´areas ao ar livre e cerca de 3 a 4
Km de alcance em ´areas urbanas dependendo das condic¸˜oes de instalac¸˜ao como edificios
e topologia de terrenos. Ela opera nas bandas ISM de 433, 868 ou 915 MHz, dependendo
na regi˜ao em que est´a implantada, no Brasil opera entre 902 `a 928Mhz.”
Para [Schuth et al. 2017] protocolo LoRaWAN ´e um protocolo de comunicac¸˜ao
baseado no protocolo ALOHA e implementa os detalhes de funcionamento como:
Seguranc¸a, QoS e ajustes de potˆencia visando maximizar a durac¸˜ao da bateria dos
m´odulos, e os tipos de aplicac¸˜oes tanto do lado dos m´odulos quanto dos servidores.
Uma rede LoRaWAN ´e baseada na topologia estrela estendida e ´e composta por
quatro elementos b´asicos, definidos como: Dispositivos finais, Gateways, Servidores de
Rede e Servidores de Aplicac¸˜ao, como ilustra a figura 1.
Figura 1. Topologia LoRaWAN
Os dispositivos finais s˜ao n´os que consistem em sensores e atuadores de campo
e sua func¸˜ao ´e coletar grandezas f´ısicas e transform´a-las em sinais el´etricos, enviando
os mesmos aos servidores de rede atrav´es dos Gateway‘s. Os dispositivos finais usam
a camada f´ısica LoRa para trocar mensagens com o gateway, enquanto o Gateway e o
servidor de rede se comunicam atrav´es de uma pilha de protocolos baseados em IP, Braga
(2017).
Os gateways s˜ao os receptores de sinais que s˜ao respons´aveis por receber os sinais
enviados pelos m´odulos. De acordo com [Ortiz et al 2018, p.3], um s´o gateway pode
receber os dados de milhares de dispositivos e encaminha-los para um ou v´arios servidores
de rede. Dependendo das condic¸˜oes de topologia do local, um ´unico gateway pode cobrir
um raio desde 2Km at´e 15 Km. Assim ele ressalta que, uma cobertura com raio de 1 Km
abrange uma ´area de 3.140.000 m2.
Figura 2. Pilha de protocolos LoRa
[ 2017] ressalta que:
”Os servidores de rede s˜ao os respons´aveis pelo gerenciamento das
informac¸˜oes enviadas pelos gateways. Como existe a possibilidade de dois
ou mais gateways receberem o mesmo pacote de um certo m´odulo e enca-
minharem para o servidor, o mesmo elimina pacotes duplicados, gerencia
os tempos de retorno dos ACK‘s, e faz os ajustes para adaptar as taxas de
transmiss˜ao de forma a gerenciar de forma mais eficiente os tempos entre
as comunicac¸˜oes otimizando o consumo de energia.”
Os servidores de aplicac¸˜oes por sua vez consistem em softwares espec´ıficos que
recebem via requisic¸˜oes os pacotes dos servidores de rede e de acordo com os bits rece-
bidos executam ac¸˜oes espec´ıficas transformando esses bits em informac¸˜oes.
3.1. Classes de dispositivos LoRaWAN
A especificac¸˜ao LoRaWAN utiliza trˆes quadros espec´ıficos para exemplificar as classes
de dispositivos finais sendo eles apresentados, [LoRa ALLIANCE, 2016]:
• Quadro de transmiss˜ao: O quadro de transmiss˜ao contem as informac¸˜oes de uplink
ou downlink entre o dispositivo final e o servidor, o formato do quadro pode variar
segundo seja uplink ou downlink;
• Quadro de recepc¸˜ao: O quadro de recepc¸˜ao cont´em as informac¸˜oes de downlink
do servidor de rede para o dispositivo terminal, podendo ser retransmitido pelo ga-
teway. Para todas as classes de dispositivos existem dois quadros de recepc¸˜ao. Es-
ses quadros de recepc¸˜ao podem ter mensagens de configurac¸˜ao da camada f´ısica;
[Blokdyk 2019]
• Beacon: Os beacons s˜ao usados pelos dispositivos classe B para sincronizar parti-
cipantes da rede com um conjunto de servic¸os;
• Tempo de atraso: Tempos estabelecidos para a recepc¸˜ao ou envio dos quadros de
recepc¸˜ao depois de um quadro de transmiss˜ao
A [LoRa ALLIANCE, 2016] especifica que LoRaWAN define trˆes classes de fun-
cionalidade: A Classe A, Classe B e Classe C.
A Classe A ´e conhecida como LoRaWAN B´asica e ´e composta por sensores ope-
rados a bateria, tendo seu padr˜ao de comunicac¸˜ao de forma bi-direcional entre dispositivo
final e um servidor de rede, agendado pelo dispositivo final baseado em suas necessida-
des. Caracterizada pela recepc¸˜ao (uplink), ap´os transmiss˜ao (downlink), os m´odulos s´o
podem receber dados em janelas de tempo pr´e-determinadas e imediatamente ap´os rea-
lizarem uma transmiss˜ao para otimizar o consumo de bateria conforme ilustra a figura
3.
Figura 3. Planejamento dos quadros para os dispositivos classe A
A classe B ´e baseada na classe A; no entanto, suporta caracteristicas adicionais de
transmiss˜ao de downlink em hor´arios pr´e-determinados que s˜ao configuradas atrav´es de
mensagens de beacon emitidas pelo gateway. Antes de trocar de modo de funcionamento
de classe A para classe B, o dispositivo deve receber pelo menos um beacon da rede para
alinhar sua referˆencia temporal interna com a da rede. Uma vez na rede, o dispositivo
deve receber periodicamente um beacon para realizar um ajuste no seu clock interno. Os
beacons tamb´em s˜ao respons´aveis pelo sincronismo entre os dispositivos terminais e os
gateway‘s. A Figura 4 ilustra a distribuic¸˜ao dos quadros para os dispositivos classe B.
Os dispositivos classe B possuem a capacidade de fazer trocas de mensagens Unicast
e Multicast. Assim, um dispositivo final envia uma ´unica mensagem unicast para um
gateway, enquanto um gateway pode enviar m´ultiplas mensagens multicast para m´ultiplos
dispositivos finais, A [LoRa ALLIANCE, 2016].
De acordo com [HON ´ORIO 2018] todo beacon ´e composto de um preˆambulo um
pouco maior que o padr˜ao (dez s´ımbolos n˜ao modulados) e um campo depayload que varia
conforme a regi˜ao de operac¸˜ao.Este payload cont´em, entre outras informac¸˜oes, o per´ıodo
do beacon, que pode variar de 1 43 segundos aproximadamente. Todos osbeacons n˜ao
possuem cabec¸alho e CRC atribu´ıdos pela camada f´ısica do LoRa.
Figura 4. Planejamento dos quadros para os dispositivos classe B
A [LoRa ALLIANCE, 2016], afirma que Por outro lado, a Classe C sempre est˜ao
dispn´ıveis para recepc¸˜ao de mensagens, o que impacta diretamente no consumo de enrgia
pois, os mesmos consomem mais energia para operar, por isso s˜ao conectados a fontes de
energia externa, n˜ao necessitando assim de reduzir seu tempo de recepc¸˜ao ou transmiss˜ao.
Os dispositivos desta classe prioriz˜ao `a escuta dos parˆametros do RX2, abrindo um quadro
de recepc¸˜ao RX2 mais curto entre o final da transmiss˜ao e o comec¸o do RX1. Assim que
o quadro do RX1 for fechado, o quadro de recepc¸˜ao RX2 ficar´a aberto at´e o dispositivo
final ter outra transmiss˜ao. A Figura 5 apresenta a distribuic¸˜ao dos quadros de recepc¸˜ao
dos dispositivos classe C.
Figura 5. Planejamento dos quadros para os dispositivos classe C
3.2. Opc¸˜oes de Transmiss˜ao
A tecnologia LoRa por padr˜ao fornece cinco parˆametros de configurac¸˜ao: A ( Taxa de
Transmiss˜ao - TP), Carrier Frequency (CF), o fator de espalhamento (Spreading Factor –
SF), a (Largura de Banda - BW) e a taxa de c´odigo (Code Rate - CR), sendo estes fatores
determinantes para o consumo de energia. A faixa de transmiss˜ao e resiliˆencia ao ru´ıdo ´e
determinado pela selec¸˜ao desses parˆametros.
De acordo com [Llu´ıs Casals and Gomez 2017], a Potˆencia de transmiss˜ao (TP)
em um r´adio LoRa pode ser ajustado de 4 dBm `a 20 dBm, em intervalos de 1 em 1 db,
mas devido aos limites de implementac¸˜ao de hardware, o intervalo geralmente ´e limitado
a 2 dBm a 20 dBm. Al´em disso, devido a limitac¸˜oes do hardware, os n´ıveis de potˆencia
superiores a 17 dBm s´o podem ser usado em um ciclo de trabalho de 1% Frequˆencia da
portadora. CF ´e a frequˆencia central que pode ser programado em etapas de 61 Hz entre
137 MHz e 1020 MHz. Dependendo do microcontrolador LoRa adotado, este alcance
pode ser limitado a 860 MHz a 1020 MHz.
O Fator de espalhamento (SF), ´e a raz˜ao entre a taxa de dados e a taxa de chips.
Um fator de espalhamento mais alto aumenta relac¸˜ao sinal / ru´ıdo e, portanto, a sensibili-
dade e alcance, mas tamb´em aumenta o tempo de uso do pacote no canal .
Para [Marco Centenaro and Kohno. 2015a], a largura de banda (bandwidth - BW),
trata o intervalo que delimita as faixas de frequˆencias de transmiss˜ao, quanto mais alta,
maior a taxa de dados (portanto, menor tempo no ar), menor sensibilidade (por causa de
integrac¸˜ao da relac¸˜ao sinal ru´ıdo). Um pacote menor d´a uma maior sensibilidade, mas
uma taxa de dados mais baixa. Desta forma esta tem como aspecto negativo a min´uscula
largura de banda de mensagens: Apenas 12 bytes de upload por mensagem no limite de
140 envios por dia, O download ´e ainda mais complexo,apenas 8 bytes de retorno.
Figura 6. Estrutura de pacotes LoRa
Taxa de codificac¸˜ao (CR), ´e a taxa FEC - (Forward Error Correction), uilizada
na rede LoRa que oferece protec¸˜ao contra interferˆencia. Um CR mais alto oferece mais
protec¸˜ao, mas aumenta o tempo no ar, como pode ser observado a estrutura de um pacote
LoRa na figura 6.
Baseado nessas alegac¸˜oes ´e justificado a utilizac¸˜ao de um simulador para examinar
e entender a escalabilidade das redes LoRa. N˜ao ´e vi´avel avaliar a escalabilidade redes
LoRa em larga escala na pr´atica como a implantac¸˜ao dessas redes seria extremamente
custoso. Al´em disso, uma implantac¸˜ao real n˜ao permitiria testar uma maior n´umero de
configurac¸˜oes, topologias e n´os, necess´arios para um estudo geral sobre o ambinete LoRa.
4. Simulac¸˜ao Lora no NS3
O trabalho proposto pelo Prof. Marcelo Rubinstein na disciplina de Redes Sem Fio, tem
como objetivo principal a an´alise de QoS em redes sem fio, no qual escolhi como escopo
as redes LPWAN, em especial o estudo da tecnologia LoRa, sob o protocolo LoRaWAN.
Esta tarefa desencadeou a necessidade em simular o comportamento da tecnologia
LoRa e suas caracter´ısticas medindo seu desempenho de alguns de seus aspectos como
consumo de energia, a escalabilidade e o throughput de alguns n´os. Para a construc¸˜ao
deste artigo ser´a necess´ario a realizac¸˜ao de simulac¸˜oes realizadas em abiente computacio-
nal para entender e mensurar as funcionalidades do ambiente LoRa. Assim foi necess´ario
a instalac¸˜ao e configurac¸˜ao do simulador (Network Simulator - NS3).
Atualmente, o NS3 encontra-se em fase de desenvolvimento cont´ınuo, sendo que
cada ciclo de lanc¸amento de nova vers˜ao tem o per´ıodo m´edio de quatro meses. De-
vido aos rigorosos requisitos de flexibilidade e escalabilidade adotados no projeto, o NS3
apresenta uma estrutura de funcionamento que exige do usu´ario um consider´avel grau
de conhecimento dos conceitos adotados, assim como conhecimentos significativos em
Linux. Esses conceitos variam em grau de abstrac¸˜ao, n˜ao se tratando de conhecimentos
triviais. Os conceitos de menor n´ıvel de abstrac¸˜ao s˜ao respons´aveis pela estruturac¸˜ao e
funcionamento da simulac¸˜ao, conceitos de mais alto n´ıvel auxiliam o usu´ario na criac¸˜ao
de script‘s, tornando mais transparente grande parte da complexidade interna do simula-
dor.
4.1. Resultados obtidos
Os ensaios e simulac¸˜oes realizados neste trabalhos ser˜ao realizados no NS3 e esta sec¸˜ao
apresentar´a os resultados obtidos assim como a an´alise interpretativa dos mesmos na
pr´oxima etapa deste trabalho.
5. Conclus˜ao
A IoT est´a surgindo rapidamente sem esperar por ningu´em, deixando de ser tendˆencia e
tornado-se realidade. As redes de LPWAN possuem um seleto leque de de aplicac¸˜oes e em
especial sob o ponto de vista do paradigma IoT, pois os objetos denominados inteligentes,
em geral, ainda s˜ao considerados restritos no que diz respeito ao consumo de energia,
largura de banda e disposnibilidade, como foi esplanado ao longo do artigo. Desta forma
fica a evidˆencia de que nas entrelinhas acima, a tecnologia LoRa tem se tornado uma
soluc¸˜ao cada vez mais utilizada comercialmente e sua utilizac¸˜ao solidifica-se rapidamente
do cen´ario da Internet Das Coisas.
Referˆencias
Blokdyk, G. (2019). LPWAN A Complete Guide - 2019 Edition. 5STARCooks.
Corporation., S. (2015). LoRa Modulation Basics. Lora Alliance.
dos Santos., W. (2015). USO DE SIMULADORES COMO FERRAMENTA NO ENSINO-
APRENDIZAGEM DE REDES DE COMPUTADORES. FUMEC.
Fernando M. Ortiz, Pedro Cruz, R. d. S. C. e. L. H. M. K. C. (2018). Caracterizac¸˜ao
de uma Rede Sem-fio de Baixa Potˆencia e Longo Alcance para Internet das Coisas.
UFRJ-UERJ.
HON ´ORIO, F. G. (2018). EFEITO DO DESVANECIMENTO NAKAGAMI-M NA ESCA-
LABILIDADE DAS REDES LORA/LORAWAN. UTFPA.
Jetmir Haxhibeqiri, Eli De Poorter, I. M. and Hoebeke, J. (2018). A Survey of LoRaWAN
for IoT: From Technology to Application. IEEE.
Jetmir Haxhibeqiri, Floris Van den Abeele, I. M. and Hoebekw, J. (2017). LoRa Scalabi-
lity: A Simulation Model Based on Interference Measurements. IEEE.
Llu´ıs Casals, Bernat Mir, R. V. and Gomez, C. (2017). Modeling the Energy Performance
of LoRaWAN. MDPI.
Makofske, D., Donahoo, M., and Calvert, K. (2004). TCP/IP Sockets in C#: Practical
Guide for Programmers. The Practical Guides. Elsevier Science.
Marco Centenaro, L. V. and Kohno., R. (2015a). AN1200.22 LoRa Modulation Basics.
Semtech Corporation.
Marco Centenaro, L. V. and Kohno., R. (2015b). AN1200.22 LoRa Modulation Basics.
Semtech Corporation.
Marco Centenaro, L. V. and Kohno., R. (2017). On the Impact of Downlink Feedbackon
LoRa Performance. IEEE.
Ortiz, F. M. (2018). ANALISE DE DESEMPENHO DE UMA REDE SEM-FIO DE BAIXA
POT¨eNCIA E LONGO ALCANCE PARA A INTERNET DAS COISAS. COPPE.
Phui San Cheong, Johan Bergs, C. H. J. F. (2017). Comparison of LoRaWAN Classes and
their Power Consumption. University of Antwerp.
Schuth, R., Streitferdt, D., and B¨oringer, R. (2017). Design, Implementation and Analysis
of a LoRaWAN Transport Architecture for the DLMS. Technische Universit¨at Ilmenau.
To, T.-H. and Duda, A. (2018). Simulation of LoRa in NS-3: Improving LoRa Performance
with CSMA. Univ. Grenoble Alpes.
[Schuth et al. 2017] [Blokdyk 2019] [Corporation. 2015]
[Marco Centenaro and Kohno. 2017] [?] [Jetmir Haxhibeqiri and Hoebeke 2018]
[dos Santos. 2015] [Llu´ıs Casals and Gomez 2017] [Makofske et al. 2004]
[Jetmir Haxhibeqiri and Hoebekw 2017] [Phui San Cheong 2017]
[To and Duda 2018] [HON ´ORIO 2018] [Marco Centenaro and Kohno. 2015a]
[Marco Centenaro and Kohno. 2017] [Blokdyk 2019] [Ortiz 2018] [?]
[Marco Centenaro and Kohno. 2015b] [Corporation. 2015] [Fernando M. Ortiz 2018]

Mais conteúdo relacionado

Mais procurados

Visitando a literatura em redes neurais recorrentes
Visitando a literatura em redes neurais recorrentesVisitando a literatura em redes neurais recorrentes
Visitando a literatura em redes neurais recorrentesDiogenes Freitas
 
Gerência de Redes SNMP
Gerência de Redes SNMPGerência de Redes SNMP
Gerência de Redes SNMPIsraelCunha
 
Apresentacao tcc - Redes Mesh Cognitiva
Apresentacao tcc - Redes Mesh CognitivaApresentacao tcc - Redes Mesh Cognitiva
Apresentacao tcc - Redes Mesh CognitivaIuri Andreazza
 
Fundamentos de Redes de Computadores parte 1
Fundamentos de Redes de Computadores parte 1Fundamentos de Redes de Computadores parte 1
Fundamentos de Redes de Computadores parte 1Ricardo Pinheiro
 
1ª Unidade Conceito e Estrutura de Redes.
1ª Unidade Conceito e Estrutura de Redes.1ª Unidade Conceito e Estrutura de Redes.
1ª Unidade Conceito e Estrutura de Redes.Cleiton Cunha
 
Técnico em Redes de Computadores
Técnico em Redes de ComputadoresTécnico em Redes de Computadores
Técnico em Redes de Computadorestiredes
 
Aula1 montagem redes de computadores
Aula1  montagem redes de computadores Aula1  montagem redes de computadores
Aula1 montagem redes de computadores Jorge Muchacuar
 
Aula 3 - Redes de Computadores A - Administração da Internet. Modelo TCP/IP.
Aula 3 - Redes de Computadores A - Administração da Internet. Modelo TCP/IP.Aula 3 - Redes de Computadores A - Administração da Internet. Modelo TCP/IP.
Aula 3 - Redes de Computadores A - Administração da Internet. Modelo TCP/IP.Filipo Mór
 
Apostila projetode redes
Apostila projetode redesApostila projetode redes
Apostila projetode redesredesinforma
 
Estruturas de rede
Estruturas de redeEstruturas de rede
Estruturas de redecadudragon
 
Iscad ti 2010_2011_4 - comunicacoes
Iscad ti 2010_2011_4 - comunicacoesIscad ti 2010_2011_4 - comunicacoes
Iscad ti 2010_2011_4 - comunicacoesLuis Vidigal
 

Mais procurados (18)

Visitando a literatura em redes neurais recorrentes
Visitando a literatura em redes neurais recorrentesVisitando a literatura em redes neurais recorrentes
Visitando a literatura em redes neurais recorrentes
 
Gerência de Redes SNMP
Gerência de Redes SNMPGerência de Redes SNMP
Gerência de Redes SNMP
 
Apresentacao tcc - Redes Mesh Cognitiva
Apresentacao tcc - Redes Mesh CognitivaApresentacao tcc - Redes Mesh Cognitiva
Apresentacao tcc - Redes Mesh Cognitiva
 
Fundamentos de Redes de Computadores parte 1
Fundamentos de Redes de Computadores parte 1Fundamentos de Redes de Computadores parte 1
Fundamentos de Redes de Computadores parte 1
 
1ª Unidade Conceito e Estrutura de Redes.
1ª Unidade Conceito e Estrutura de Redes.1ª Unidade Conceito e Estrutura de Redes.
1ª Unidade Conceito e Estrutura de Redes.
 
Técnico em Redes de Computadores
Técnico em Redes de ComputadoresTécnico em Redes de Computadores
Técnico em Redes de Computadores
 
Completas
CompletasCompletas
Completas
 
Tbr de redes
Tbr de redesTbr de redes
Tbr de redes
 
Rede de computadores
Rede de computadoresRede de computadores
Rede de computadores
 
Aula01 redes de computadores
Aula01   redes de computadoresAula01   redes de computadores
Aula01 redes de computadores
 
Julia aula mestrado
Julia aula mestradoJulia aula mestrado
Julia aula mestrado
 
Aula1 montagem redes de computadores
Aula1  montagem redes de computadores Aula1  montagem redes de computadores
Aula1 montagem redes de computadores
 
Aula 3 - Redes de Computadores A - Administração da Internet. Modelo TCP/IP.
Aula 3 - Redes de Computadores A - Administração da Internet. Modelo TCP/IP.Aula 3 - Redes de Computadores A - Administração da Internet. Modelo TCP/IP.
Aula 3 - Redes de Computadores A - Administração da Internet. Modelo TCP/IP.
 
Apostila projetode redes
Apostila projetode redesApostila projetode redes
Apostila projetode redes
 
Estruturas de rede
Estruturas de redeEstruturas de rede
Estruturas de rede
 
Redes 4
Redes 4Redes 4
Redes 4
 
Julia aula mestrado equipamentos de rede
Julia aula mestrado equipamentos de redeJulia aula mestrado equipamentos de rede
Julia aula mestrado equipamentos de rede
 
Iscad ti 2010_2011_4 - comunicacoes
Iscad ti 2010_2011_4 - comunicacoesIscad ti 2010_2011_4 - comunicacoes
Iscad ti 2010_2011_4 - comunicacoes
 

Semelhante a Lora ns3

Aula 5 - Protocolos de comunicação
Aula 5 - Protocolos de comunicação Aula 5 - Protocolos de comunicação
Aula 5 - Protocolos de comunicação MaraLuizaGonalvesFre
 
Relatorio Final.PDF
Relatorio Final.PDFRelatorio Final.PDF
Relatorio Final.PDFJorge Matias
 
Tecnologias LPWAN: a terceira revolução da internet
Tecnologias LPWAN: a terceira revolução da internetTecnologias LPWAN: a terceira revolução da internet
Tecnologias LPWAN: a terceira revolução da internetEronides Da Silva Neto
 
Tecnologias LPWAN: A terceira revolução da internet
Tecnologias LPWAN: A terceira revolução da internetTecnologias LPWAN: A terceira revolução da internet
Tecnologias LPWAN: A terceira revolução da internetEronides Da Silva Neto
 
Implemenção_de_Rede_Lan_BRUNO_WALTER_ALPEGA
Implemenção_de_Rede_Lan_BRUNO_WALTER_ALPEGAImplemenção_de_Rede_Lan_BRUNO_WALTER_ALPEGA
Implemenção_de_Rede_Lan_BRUNO_WALTER_ALPEGABrnWltrDaTrnn
 
Rct 4 - modelos e arquiteturas de rede - internet e tcp ip
Rct   4 - modelos e arquiteturas de rede - internet e tcp ipRct   4 - modelos e arquiteturas de rede - internet e tcp ip
Rct 4 - modelos e arquiteturas de rede - internet e tcp ipUniversal.org.mx
 
1 - Revisão - Redes de Computadores.pdf
1 - Revisão - Redes de Computadores.pdf1 - Revisão - Redes de Computadores.pdf
1 - Revisão - Redes de Computadores.pdfEDUARDAREGINACARVALH1
 
Apostila redes remotas de computadores
Apostila redes remotas de computadoresApostila redes remotas de computadores
Apostila redes remotas de computadoresfernandao777
 
Internet das coisas modulo esp8266 e nodemcu para transmissão de sinais por...
Internet das coisas  modulo esp8266 e nodemcu para transmissão de  sinais por...Internet das coisas  modulo esp8266 e nodemcu para transmissão de  sinais por...
Internet das coisas modulo esp8266 e nodemcu para transmissão de sinais por...Marcelo Machado Pereira
 
Artigo Atividade 1 Gredes
Artigo Atividade 1 GredesArtigo Atividade 1 Gredes
Artigo Atividade 1 GredesAlbarado Junior
 
Modelos TCP/IP e OSI para CCNA
Modelos TCP/IP e OSI para CCNAModelos TCP/IP e OSI para CCNA
Modelos TCP/IP e OSI para CCNAwolkartt_18
 
UFPA PPGCC LPRAD 2014-02 - Edinaldo La-Roque - OPNET - Tutorial Rede LTE Basi...
UFPA PPGCC LPRAD 2014-02 - Edinaldo La-Roque - OPNET - Tutorial Rede LTE Basi...UFPA PPGCC LPRAD 2014-02 - Edinaldo La-Roque - OPNET - Tutorial Rede LTE Basi...
UFPA PPGCC LPRAD 2014-02 - Edinaldo La-Roque - OPNET - Tutorial Rede LTE Basi...Edinaldo La-Roque
 
Benefícios das redes sem fio
Benefícios das redes sem fioBenefícios das redes sem fio
Benefícios das redes sem fioCarlos Melo
 

Semelhante a Lora ns3 (20)

Aula 5 - Protocolos de comunicação
Aula 5 - Protocolos de comunicação Aula 5 - Protocolos de comunicação
Aula 5 - Protocolos de comunicação
 
Relatorio Final.PDF
Relatorio Final.PDFRelatorio Final.PDF
Relatorio Final.PDF
 
Artigo Wireshark
Artigo WiresharkArtigo Wireshark
Artigo Wireshark
 
Tecnologias LPWAN: a terceira revolução da internet
Tecnologias LPWAN: a terceira revolução da internetTecnologias LPWAN: a terceira revolução da internet
Tecnologias LPWAN: a terceira revolução da internet
 
Modelo osi
Modelo osiModelo osi
Modelo osi
 
Tecnologias LPWAN: A terceira revolução da internet
Tecnologias LPWAN: A terceira revolução da internetTecnologias LPWAN: A terceira revolução da internet
Tecnologias LPWAN: A terceira revolução da internet
 
Implemenção_de_Rede_Lan_BRUNO_WALTER_ALPEGA
Implemenção_de_Rede_Lan_BRUNO_WALTER_ALPEGAImplemenção_de_Rede_Lan_BRUNO_WALTER_ALPEGA
Implemenção_de_Rede_Lan_BRUNO_WALTER_ALPEGA
 
Rct 4 - modelos e arquiteturas de rede - internet e tcp ip
Rct   4 - modelos e arquiteturas de rede - internet e tcp ipRct   4 - modelos e arquiteturas de rede - internet e tcp ip
Rct 4 - modelos e arquiteturas de rede - internet e tcp ip
 
1 - Revisão - Redes de Computadores.pdf
1 - Revisão - Redes de Computadores.pdf1 - Revisão - Redes de Computadores.pdf
1 - Revisão - Redes de Computadores.pdf
 
Apostila redes remotas de computadores
Apostila redes remotas de computadoresApostila redes remotas de computadores
Apostila redes remotas de computadores
 
Internet das coisas modulo esp8266 e nodemcu para transmissão de sinais por...
Internet das coisas  modulo esp8266 e nodemcu para transmissão de  sinais por...Internet das coisas  modulo esp8266 e nodemcu para transmissão de  sinais por...
Internet das coisas modulo esp8266 e nodemcu para transmissão de sinais por...
 
121 redes
121 redes121 redes
121 redes
 
Arquitetura de Redes de Computadores
 Arquitetura de Redes de Computadores Arquitetura de Redes de Computadores
Arquitetura de Redes de Computadores
 
Artigo Redes Jonnes
Artigo Redes JonnesArtigo Redes Jonnes
Artigo Redes Jonnes
 
Artigo Redes Jonnes
Artigo Redes JonnesArtigo Redes Jonnes
Artigo Redes Jonnes
 
Artigo Atividade 1 Gredes
Artigo Atividade 1 GredesArtigo Atividade 1 Gredes
Artigo Atividade 1 Gredes
 
Modelos TCP/IP e OSI para CCNA
Modelos TCP/IP e OSI para CCNAModelos TCP/IP e OSI para CCNA
Modelos TCP/IP e OSI para CCNA
 
UFPA PPGCC LPRAD 2014-02 - Edinaldo La-Roque - OPNET - Tutorial Rede LTE Basi...
UFPA PPGCC LPRAD 2014-02 - Edinaldo La-Roque - OPNET - Tutorial Rede LTE Basi...UFPA PPGCC LPRAD 2014-02 - Edinaldo La-Roque - OPNET - Tutorial Rede LTE Basi...
UFPA PPGCC LPRAD 2014-02 - Edinaldo La-Roque - OPNET - Tutorial Rede LTE Basi...
 
Benefícios das redes sem fio
Benefícios das redes sem fioBenefícios das redes sem fio
Benefícios das redes sem fio
 
Apresentacao cp2011
Apresentacao cp2011Apresentacao cp2011
Apresentacao cp2011
 

Lora ns3

  • 1. An´alise de Throughput em redes LoRa utilizando NS3 Janio A. Medeiros1 , Marcelo Rubinstein 2 1 Programa de P´os-Graduac¸˜ao em Engenharia Eletrˆonica (PEL) Universidade Estadual do Rio de Janeiro (UERJ) pel@uerj.br – Rio de Janeiro – RJ – Brazil jamfmg@gmail.com, rubi@uerj.br Abstract. In the context of Internet of Things (IoT), this work contemplates a study that has as its central focus the investigation of LoRa technology, motiva- ted by the behavior analysis of the LoRaWAN protocol. Fostered by the study of QoS in the Wireless Networks discipline. The main objective of this rese- arch is to analyze the protocol throughput, performing simulations in simulated environment using Network Simulator version 3. In this endeavor will be si- mulations with two algorithms in c ++ language, one to verify the behavior of the 4-node scenario and the other with 200 nodes. The article demonstrates the results obtained comparatively, verifying the standard deviation and the mean of the data collected during the tests. Resumo. No contexto de Internet das Coisas (IoT - Internet of Things), este tra- balho contempla um estudo com focado em realizar a an´alise da tecnlogia LoRa, motivado pela an´alise do comportamento do protocolo LoRaWAN. Fomentado pelo no estudo de QoS na disciplina de Redes Sem Fio. O objetivo principal desta investigac¸˜ao ´e analisar 0 throughput e a escalabilidade do protocolo, re- alizando ensaios em ambiente simulado utilizando com o Network Simulator vers˜ao 3. Nesta empreitada ser˜ao realizadas simulac¸˜oes com dois algoritmos na lingugem c++, sendo um para verificar o comportamento do cen´ario com 4 n´os e o outro com 100 n´os. O artigo demonstra os resultados obtidos de forma comparativa, verificando o desvio padr˜ao e a m´edia dos dados coletados durante a realizac¸˜ao dos ensaios. 1. Introduc¸˜ao ´E inconcuso que o aforc¸urado surgimento da Internet Das Coisas (IoT) apresenta-se com o compromisso de tornar in´umeros objetos inanimados do mundo em objetos com capaci- dade de sensoriamento, processamento e dotados de Intelegˆencia Artificial, permitindo a comunicac¸˜ao direta entre diversos equipamentos e seus usu´arios. Estas ac¸˜oes s˜ao realiza- das por meio de sensores e conex˜oes sem fio, sob a proposta de operac¸˜oes remotas eficien- tes, alicerc¸adas no argumento de tornar a vida cotidiana mais qualitativa, proporcionando a manipulac¸˜ao inteligente de dados e consequentemente melhorando a automac¸˜ao de pro- cessos, permitindo o aprendizado de comportamentos habituais, podendo desta forma identificar e tratar eventualidades em qualquer sistema desta magnitude. Deste modo a IoT vem se tornando um paradigma tecnol´ogico promissor, atraindo o interesse de pesquisa e desenvolvimento em diversas ´areas de conhecimento. Prevˆe-se que haver´a de 26 a 50 bilh˜oes de dispositivos conectados `a Internet at´e 2020 e 100 bilh˜oes at´e 2030 [Ortiz 2018].
  • 2. Assim ´e importante ressaltar que a Internet das Coisas gera a necessidade de no- vas tecnologias sem fio, a qual ter´a de suportar o gigantesco n´umero de dispositivos que estar˜ao presentes neste novo cen´ario. Esses dispositivos formar˜ao uma rede de longa distˆancia de baixa potˆencia caracterizadas por por redes (LPWAN), Low Power Wide Area Network e que por sua vez demandam vida ´util longa em seus dispositivos, podendo estes, estar em ambientes hostis e na maioria das vezes em locais de dificil acesso. Este artigo tem como cerne abordar a tecnologia LoRa, pois atualmente ´e a tecno- logia LPWAN emergente, open source e amplamente implantada, sendo considerada por grande parte dos desenvolvedores, como base para solidificac¸˜ao da IoT. O presente documento est´a organizado da seguinte forma: A Sec¸˜ao 2 apresenta os trabalhos relacionados, a Sec¸˜ao 3 aponta a uma vis˜ao geral da tecnologia LoRa e o protocolo LoRaWAN e sua respectiva arquitetura. Na sec¸˜ao 4 ´e apresentado os m´etodos utilizados nessa empreitada onde s˜ao descritas as simulac¸˜oes realizadas no NS-3, assim como s˜ao apresentados os algoritmos utilizados e consequentemente exibindo os resulta- dos obtidos e conclusivamente a Sec¸˜ao 5 encerra o trabalho denotando as considerac¸˜oes finais. exibindo os os resultados coletados 2. Trabalhos Relacionados Para a concepc¸˜ao deste artigo fora necess´ario a leitura de diversos trabalhos correlatos encontrados na literatura. Os artigos encontrados podem ser divididos em trˆes eixos: Trabalhos que analisam o desempenho da rede LoRa atrav´es de prot´otipos experimentais; trabalhos que comparam a tecnologia LoRa com outras tecnologias de redes sem fio e trabalhos que analisam o LoRa em simulac¸˜oes computacionais como ´e o caso deste artigo. Cheong Et al (2017, p.4) avalia a escalabilidade das redes LoRa e compara a taxa de transferˆencia e alcance para duas diferentes tecnologias: chirp spread spectrum (CSS), usado pela rede LoRa e ultra-narrowband (UNB), usado pela Sigfox. A rede Sigfox ´e de- finida pela concepc¸˜ao de dispositivos remotos conectem-se a um ponto de acesso com a Banda Ultra Narrow (UNB). Esta por sua vez trata-se de uma tecnologia propriet´aria, de- senvolvida e entregue pela empresa francesa Sigfox, deste modo nenhuma especificac¸˜ao t´ecnica p´ublica detalhada est´a dispon´ıvel. A Sigfox opera na faixa dos 868 MHz, com o espectro dividido em 400 canais de 100 Hz. Em resumo o estudo mostra que uma rede UNB tem melhor desempenho em longo alcance de comunicac¸˜ao, `as custas da taxa de transferˆencia dispon´ıvel para cada disposi- tivo. Paralalelamente apresenta tambem que que as redes CSS, por outro lado, s˜ao mais adequadas para aplicativos que possuem taxas de bits mais elevadas e que n˜ao exigem um intervalo t˜ao longo de slots de tempo. Desta forma fica a evidˆencia de que o protocolo LoRaWAN n˜ao ´e capaz de atender a todos os diferentes requisitos de implantac¸˜oes IoT, e que dependendo da situac¸˜ao espec´ıfica, os requisitos podem ser muito diferentes, o que implica na utilizac¸˜ao de outras tecnologias de (LPWAN), como por exemplo a rede Sigfox pode ser mais adequado para esse caso de uso espec´ıfico. Em (MIKHAYLOV et al, 2016), consideraram a norma Europeia para a faixa de frequˆencia ISM (Industrial, Scientific and Medical) 868 MHz para determinar a capa- cidade te´orica para um m´odulo LoRaWAN, bem como a densidadede n´os por km para diversos cen´arios de aplicac¸˜oes e diferentes configurac¸˜oes de taxas de dados. Os resul-
  • 3. tados apresentados mostram que a grande maioria dos n´os devem ficar nas proximidades do gateway, limitando os tipos de aplicac¸˜oes e o alcance da tecnologia. Em uma linha semelhante, os autores em (BOR et al., 2016), considerando parˆametros pr´aticos e utilizando uma ferramenta de simulac¸˜ao, mostraram que o desempe- nho da rede cai `a medida que o n´umero de n´os aumenta, isto v´alido para uma configurac¸˜ao est´atica da rede e com um gateway que comporta aproximadamente 120 n´os mantendo uma taxa de extrac¸˜ao de dados superior a 90%. O mesmo trabalho mostra que a capaci- dade da rede se torna consideravelmente maior se forem utilizados m´ultiplos gateway‘s com configurac¸˜ao dinˆamica. Sob estes argumentos fica a percepc¸˜ao do empenho acadˆemico voltado a an´alise de diversos parˆametros da tecnologia LoRa sob o intuito de aprimorar as deficiˆencias propondo soluc¸˜oes t´ecnicas para a maturidade e solidificac¸˜ao deste novo paradigma com- putacional. 3. Vis˜ao Geral Tecnologia Lora A tecnologia LoRa foi desenvolvida pela start-up francesa Cycleo a qual desenvolveu a tecnologia de Modulac¸˜ao LoRa. Em 2012 a empresa Semtech adquiriu a start-up e licenciou como propriedade intelectual da Microchip, HopeRF dentre outras pertencentes ao cons´orcio LoRa Alliance, que atualmente ´e o ´unico fabricante de circuitos integrados LoRa do mercado. Como mencionado nas entrelinhas acima algumas das ofertas LPWAN s˜ao propriet´arias, mas a tecnologia LoRaWAN mant´em-se open source. De acordo com [Cheong Et al 2017,p.1] ”A tecnologia Lora consiste na camada f´ısica da rede, e de acesso ao meio (Medium Access Control – MAC), em sua camada de radio ´e baseada em uma t´ecnica conhecida por ”chirp spread spectrum modulation”,(CSS) a qual resulta em baixa sensibilidade, permitindo transmiss˜oes a longas distˆancias com alcance de aproximadamente 12Km de conectividade em ´areas ao ar livre e cerca de 3 a 4 Km de alcance em ´areas urbanas dependendo das condic¸˜oes de instalac¸˜ao como edificios e topologia de terrenos. Ela opera nas bandas ISM de 433, 868 ou 915 MHz, dependendo na regi˜ao em que est´a implantada, no Brasil opera entre 902 `a 928Mhz.” Para [Schuth et al. 2017] protocolo LoRaWAN ´e um protocolo de comunicac¸˜ao baseado no protocolo ALOHA e implementa os detalhes de funcionamento como: Seguranc¸a, QoS e ajustes de potˆencia visando maximizar a durac¸˜ao da bateria dos m´odulos, e os tipos de aplicac¸˜oes tanto do lado dos m´odulos quanto dos servidores. Uma rede LoRaWAN ´e baseada na topologia estrela estendida e ´e composta por quatro elementos b´asicos, definidos como: Dispositivos finais, Gateways, Servidores de Rede e Servidores de Aplicac¸˜ao, como ilustra a figura 1.
  • 4. Figura 1. Topologia LoRaWAN Os dispositivos finais s˜ao n´os que consistem em sensores e atuadores de campo e sua func¸˜ao ´e coletar grandezas f´ısicas e transform´a-las em sinais el´etricos, enviando os mesmos aos servidores de rede atrav´es dos Gateway‘s. Os dispositivos finais usam a camada f´ısica LoRa para trocar mensagens com o gateway, enquanto o Gateway e o servidor de rede se comunicam atrav´es de uma pilha de protocolos baseados em IP, Braga (2017). Os gateways s˜ao os receptores de sinais que s˜ao respons´aveis por receber os sinais enviados pelos m´odulos. De acordo com [Ortiz et al 2018, p.3], um s´o gateway pode receber os dados de milhares de dispositivos e encaminha-los para um ou v´arios servidores de rede. Dependendo das condic¸˜oes de topologia do local, um ´unico gateway pode cobrir um raio desde 2Km at´e 15 Km. Assim ele ressalta que, uma cobertura com raio de 1 Km abrange uma ´area de 3.140.000 m2. Figura 2. Pilha de protocolos LoRa [ 2017] ressalta que: ”Os servidores de rede s˜ao os respons´aveis pelo gerenciamento das informac¸˜oes enviadas pelos gateways. Como existe a possibilidade de dois ou mais gateways receberem o mesmo pacote de um certo m´odulo e enca- minharem para o servidor, o mesmo elimina pacotes duplicados, gerencia os tempos de retorno dos ACK‘s, e faz os ajustes para adaptar as taxas de
  • 5. transmiss˜ao de forma a gerenciar de forma mais eficiente os tempos entre as comunicac¸˜oes otimizando o consumo de energia.” Os servidores de aplicac¸˜oes por sua vez consistem em softwares espec´ıficos que recebem via requisic¸˜oes os pacotes dos servidores de rede e de acordo com os bits rece- bidos executam ac¸˜oes espec´ıficas transformando esses bits em informac¸˜oes. 3.1. Classes de dispositivos LoRaWAN A especificac¸˜ao LoRaWAN utiliza trˆes quadros espec´ıficos para exemplificar as classes de dispositivos finais sendo eles apresentados, [LoRa ALLIANCE, 2016]: • Quadro de transmiss˜ao: O quadro de transmiss˜ao contem as informac¸˜oes de uplink ou downlink entre o dispositivo final e o servidor, o formato do quadro pode variar segundo seja uplink ou downlink; • Quadro de recepc¸˜ao: O quadro de recepc¸˜ao cont´em as informac¸˜oes de downlink do servidor de rede para o dispositivo terminal, podendo ser retransmitido pelo ga- teway. Para todas as classes de dispositivos existem dois quadros de recepc¸˜ao. Es- ses quadros de recepc¸˜ao podem ter mensagens de configurac¸˜ao da camada f´ısica; [Blokdyk 2019] • Beacon: Os beacons s˜ao usados pelos dispositivos classe B para sincronizar parti- cipantes da rede com um conjunto de servic¸os; • Tempo de atraso: Tempos estabelecidos para a recepc¸˜ao ou envio dos quadros de recepc¸˜ao depois de um quadro de transmiss˜ao A [LoRa ALLIANCE, 2016] especifica que LoRaWAN define trˆes classes de fun- cionalidade: A Classe A, Classe B e Classe C. A Classe A ´e conhecida como LoRaWAN B´asica e ´e composta por sensores ope- rados a bateria, tendo seu padr˜ao de comunicac¸˜ao de forma bi-direcional entre dispositivo final e um servidor de rede, agendado pelo dispositivo final baseado em suas necessida- des. Caracterizada pela recepc¸˜ao (uplink), ap´os transmiss˜ao (downlink), os m´odulos s´o podem receber dados em janelas de tempo pr´e-determinadas e imediatamente ap´os rea- lizarem uma transmiss˜ao para otimizar o consumo de bateria conforme ilustra a figura 3. Figura 3. Planejamento dos quadros para os dispositivos classe A A classe B ´e baseada na classe A; no entanto, suporta caracteristicas adicionais de transmiss˜ao de downlink em hor´arios pr´e-determinados que s˜ao configuradas atrav´es de mensagens de beacon emitidas pelo gateway. Antes de trocar de modo de funcionamento de classe A para classe B, o dispositivo deve receber pelo menos um beacon da rede para alinhar sua referˆencia temporal interna com a da rede. Uma vez na rede, o dispositivo
  • 6. deve receber periodicamente um beacon para realizar um ajuste no seu clock interno. Os beacons tamb´em s˜ao respons´aveis pelo sincronismo entre os dispositivos terminais e os gateway‘s. A Figura 4 ilustra a distribuic¸˜ao dos quadros para os dispositivos classe B. Os dispositivos classe B possuem a capacidade de fazer trocas de mensagens Unicast e Multicast. Assim, um dispositivo final envia uma ´unica mensagem unicast para um gateway, enquanto um gateway pode enviar m´ultiplas mensagens multicast para m´ultiplos dispositivos finais, A [LoRa ALLIANCE, 2016]. De acordo com [HON ´ORIO 2018] todo beacon ´e composto de um preˆambulo um pouco maior que o padr˜ao (dez s´ımbolos n˜ao modulados) e um campo depayload que varia conforme a regi˜ao de operac¸˜ao.Este payload cont´em, entre outras informac¸˜oes, o per´ıodo do beacon, que pode variar de 1 43 segundos aproximadamente. Todos osbeacons n˜ao possuem cabec¸alho e CRC atribu´ıdos pela camada f´ısica do LoRa. Figura 4. Planejamento dos quadros para os dispositivos classe B A [LoRa ALLIANCE, 2016], afirma que Por outro lado, a Classe C sempre est˜ao dispn´ıveis para recepc¸˜ao de mensagens, o que impacta diretamente no consumo de enrgia pois, os mesmos consomem mais energia para operar, por isso s˜ao conectados a fontes de energia externa, n˜ao necessitando assim de reduzir seu tempo de recepc¸˜ao ou transmiss˜ao. Os dispositivos desta classe prioriz˜ao `a escuta dos parˆametros do RX2, abrindo um quadro de recepc¸˜ao RX2 mais curto entre o final da transmiss˜ao e o comec¸o do RX1. Assim que o quadro do RX1 for fechado, o quadro de recepc¸˜ao RX2 ficar´a aberto at´e o dispositivo final ter outra transmiss˜ao. A Figura 5 apresenta a distribuic¸˜ao dos quadros de recepc¸˜ao dos dispositivos classe C. Figura 5. Planejamento dos quadros para os dispositivos classe C 3.2. Opc¸˜oes de Transmiss˜ao A tecnologia LoRa por padr˜ao fornece cinco parˆametros de configurac¸˜ao: A ( Taxa de Transmiss˜ao - TP), Carrier Frequency (CF), o fator de espalhamento (Spreading Factor – SF), a (Largura de Banda - BW) e a taxa de c´odigo (Code Rate - CR), sendo estes fatores determinantes para o consumo de energia. A faixa de transmiss˜ao e resiliˆencia ao ru´ıdo ´e determinado pela selec¸˜ao desses parˆametros. De acordo com [Llu´ıs Casals and Gomez 2017], a Potˆencia de transmiss˜ao (TP) em um r´adio LoRa pode ser ajustado de 4 dBm `a 20 dBm, em intervalos de 1 em 1 db,
  • 7. mas devido aos limites de implementac¸˜ao de hardware, o intervalo geralmente ´e limitado a 2 dBm a 20 dBm. Al´em disso, devido a limitac¸˜oes do hardware, os n´ıveis de potˆencia superiores a 17 dBm s´o podem ser usado em um ciclo de trabalho de 1% Frequˆencia da portadora. CF ´e a frequˆencia central que pode ser programado em etapas de 61 Hz entre 137 MHz e 1020 MHz. Dependendo do microcontrolador LoRa adotado, este alcance pode ser limitado a 860 MHz a 1020 MHz. O Fator de espalhamento (SF), ´e a raz˜ao entre a taxa de dados e a taxa de chips. Um fator de espalhamento mais alto aumenta relac¸˜ao sinal / ru´ıdo e, portanto, a sensibili- dade e alcance, mas tamb´em aumenta o tempo de uso do pacote no canal . Para [Marco Centenaro and Kohno. 2015a], a largura de banda (bandwidth - BW), trata o intervalo que delimita as faixas de frequˆencias de transmiss˜ao, quanto mais alta, maior a taxa de dados (portanto, menor tempo no ar), menor sensibilidade (por causa de integrac¸˜ao da relac¸˜ao sinal ru´ıdo). Um pacote menor d´a uma maior sensibilidade, mas uma taxa de dados mais baixa. Desta forma esta tem como aspecto negativo a min´uscula largura de banda de mensagens: Apenas 12 bytes de upload por mensagem no limite de 140 envios por dia, O download ´e ainda mais complexo,apenas 8 bytes de retorno. Figura 6. Estrutura de pacotes LoRa Taxa de codificac¸˜ao (CR), ´e a taxa FEC - (Forward Error Correction), uilizada na rede LoRa que oferece protec¸˜ao contra interferˆencia. Um CR mais alto oferece mais protec¸˜ao, mas aumenta o tempo no ar, como pode ser observado a estrutura de um pacote LoRa na figura 6. Baseado nessas alegac¸˜oes ´e justificado a utilizac¸˜ao de um simulador para examinar e entender a escalabilidade das redes LoRa. N˜ao ´e vi´avel avaliar a escalabilidade redes LoRa em larga escala na pr´atica como a implantac¸˜ao dessas redes seria extremamente custoso. Al´em disso, uma implantac¸˜ao real n˜ao permitiria testar uma maior n´umero de configurac¸˜oes, topologias e n´os, necess´arios para um estudo geral sobre o ambinete LoRa. 4. Simulac¸˜ao Lora no NS3 O trabalho proposto pelo Prof. Marcelo Rubinstein na disciplina de Redes Sem Fio, tem como objetivo principal a an´alise de QoS em redes sem fio, no qual escolhi como escopo as redes LPWAN, em especial o estudo da tecnologia LoRa, sob o protocolo LoRaWAN. Esta tarefa desencadeou a necessidade em simular o comportamento da tecnologia LoRa e suas caracter´ısticas medindo seu desempenho de alguns de seus aspectos como consumo de energia, a escalabilidade e o throughput de alguns n´os. Para a construc¸˜ao deste artigo ser´a necess´ario a realizac¸˜ao de simulac¸˜oes realizadas em abiente computacio-
  • 8. nal para entender e mensurar as funcionalidades do ambiente LoRa. Assim foi necess´ario a instalac¸˜ao e configurac¸˜ao do simulador (Network Simulator - NS3). Atualmente, o NS3 encontra-se em fase de desenvolvimento cont´ınuo, sendo que cada ciclo de lanc¸amento de nova vers˜ao tem o per´ıodo m´edio de quatro meses. De- vido aos rigorosos requisitos de flexibilidade e escalabilidade adotados no projeto, o NS3 apresenta uma estrutura de funcionamento que exige do usu´ario um consider´avel grau de conhecimento dos conceitos adotados, assim como conhecimentos significativos em Linux. Esses conceitos variam em grau de abstrac¸˜ao, n˜ao se tratando de conhecimentos triviais. Os conceitos de menor n´ıvel de abstrac¸˜ao s˜ao respons´aveis pela estruturac¸˜ao e funcionamento da simulac¸˜ao, conceitos de mais alto n´ıvel auxiliam o usu´ario na criac¸˜ao de script‘s, tornando mais transparente grande parte da complexidade interna do simula- dor. 4.1. Resultados obtidos Os ensaios e simulac¸˜oes realizados neste trabalhos ser˜ao realizados no NS3 e esta sec¸˜ao apresentar´a os resultados obtidos assim como a an´alise interpretativa dos mesmos na pr´oxima etapa deste trabalho. 5. Conclus˜ao A IoT est´a surgindo rapidamente sem esperar por ningu´em, deixando de ser tendˆencia e tornado-se realidade. As redes de LPWAN possuem um seleto leque de de aplicac¸˜oes e em especial sob o ponto de vista do paradigma IoT, pois os objetos denominados inteligentes, em geral, ainda s˜ao considerados restritos no que diz respeito ao consumo de energia, largura de banda e disposnibilidade, como foi esplanado ao longo do artigo. Desta forma fica a evidˆencia de que nas entrelinhas acima, a tecnologia LoRa tem se tornado uma soluc¸˜ao cada vez mais utilizada comercialmente e sua utilizac¸˜ao solidifica-se rapidamente do cen´ario da Internet Das Coisas.
  • 9. Referˆencias Blokdyk, G. (2019). LPWAN A Complete Guide - 2019 Edition. 5STARCooks. Corporation., S. (2015). LoRa Modulation Basics. Lora Alliance. dos Santos., W. (2015). USO DE SIMULADORES COMO FERRAMENTA NO ENSINO- APRENDIZAGEM DE REDES DE COMPUTADORES. FUMEC. Fernando M. Ortiz, Pedro Cruz, R. d. S. C. e. L. H. M. K. C. (2018). Caracterizac¸˜ao de uma Rede Sem-fio de Baixa Potˆencia e Longo Alcance para Internet das Coisas. UFRJ-UERJ. HON ´ORIO, F. G. (2018). EFEITO DO DESVANECIMENTO NAKAGAMI-M NA ESCA- LABILIDADE DAS REDES LORA/LORAWAN. UTFPA. Jetmir Haxhibeqiri, Eli De Poorter, I. M. and Hoebeke, J. (2018). A Survey of LoRaWAN for IoT: From Technology to Application. IEEE. Jetmir Haxhibeqiri, Floris Van den Abeele, I. M. and Hoebekw, J. (2017). LoRa Scalabi- lity: A Simulation Model Based on Interference Measurements. IEEE. Llu´ıs Casals, Bernat Mir, R. V. and Gomez, C. (2017). Modeling the Energy Performance of LoRaWAN. MDPI. Makofske, D., Donahoo, M., and Calvert, K. (2004). TCP/IP Sockets in C#: Practical Guide for Programmers. The Practical Guides. Elsevier Science. Marco Centenaro, L. V. and Kohno., R. (2015a). AN1200.22 LoRa Modulation Basics. Semtech Corporation. Marco Centenaro, L. V. and Kohno., R. (2015b). AN1200.22 LoRa Modulation Basics. Semtech Corporation. Marco Centenaro, L. V. and Kohno., R. (2017). On the Impact of Downlink Feedbackon LoRa Performance. IEEE. Ortiz, F. M. (2018). ANALISE DE DESEMPENHO DE UMA REDE SEM-FIO DE BAIXA POT¨eNCIA E LONGO ALCANCE PARA A INTERNET DAS COISAS. COPPE. Phui San Cheong, Johan Bergs, C. H. J. F. (2017). Comparison of LoRaWAN Classes and their Power Consumption. University of Antwerp. Schuth, R., Streitferdt, D., and B¨oringer, R. (2017). Design, Implementation and Analysis of a LoRaWAN Transport Architecture for the DLMS. Technische Universit¨at Ilmenau. To, T.-H. and Duda, A. (2018). Simulation of LoRa in NS-3: Improving LoRa Performance with CSMA. Univ. Grenoble Alpes. [Schuth et al. 2017] [Blokdyk 2019] [Corporation. 2015] [Marco Centenaro and Kohno. 2017] [?] [Jetmir Haxhibeqiri and Hoebeke 2018] [dos Santos. 2015] [Llu´ıs Casals and Gomez 2017] [Makofske et al. 2004] [Jetmir Haxhibeqiri and Hoebekw 2017] [Phui San Cheong 2017] [To and Duda 2018] [HON ´ORIO 2018] [Marco Centenaro and Kohno. 2015a] [Marco Centenaro and Kohno. 2017] [Blokdyk 2019] [Ortiz 2018] [?] [Marco Centenaro and Kohno. 2015b] [Corporation. 2015] [Fernando M. Ortiz 2018]