Conheça a rede Wi-SUN

Introdução

As iniciativas de redes sem fio voltadas a soluções de cidades inteligentes no Brasil e no mundo vêm sendo implementadas em larga escala e se encontram em fase de consolidação em vários mercados, com destaque para Iluminação pública, medição inteligente de energia e automação da distribuição de energia elétrica.

A escolha de qual tecnologia de conectividade a ser utilizada numa solução é a principal decisão a ser considerada. 

Nesse artigo iremos apresentar a tecnologia Wi-SUN, uma das possibilidades para fornecer conectividade para soluções de redes de cidades inteligentes.

A Tecnologia Wi-SUN

A tecnologia Wi-SUN segue uma especificação aberta baseada nos padrões do IEEE, IETF e ANSI/TIA. Foi desenvolvida para ser uma rede FAN (Field Area Network) de baixa potência, com topologia em malha, endereçamento IPv6 nos nós e suporte a serviços de transporte de dados via UDP/TCP.

Padrões utilizados

A figura abaixo mostra a arquitetura da rede Wi-SUN FAN no modelo de camadas OSI.

Na camada física, a tecnologia Wi-SUN utiliza para a versão 1.0 da FAN, o padrão IEEE802.15.4g, que para o padrão brasileiro suporta até 90 canais de 200 kHz de banda. A figura abaixo mostra os modos de operação e os suportados no Brasil, destacados em verde.

A rede pode suportar 2 protocolos de roteamento: o mandatório e tradicional RPL, que roda na camada de rede e possui implementações bem conhecidas como a do projeto Contiki, e o MHDS que é um protocolo de roteamento que roda na camada de link.

A camada de rede também é desenhada para suportar compressão de pacotes IPv6 [RFC 6282] e sinalização e controle através do protocolo ICMPv6 [RFC 4443].

Do ponto de vista da camada de transporte, a rede Wi-SUN suporta serviços que utilizam os protocolos UDP e TCP.

Infraestrutura básica

Para que uma solução de cidades inteligentes possa funcionar, é necessário uma infraestrutura de rede principalmente composta por tecnologias sem fio. 

Na rede Wi-SUN, que é responsável em conectar os dispositivos terminais, existem basicamente 3 tipos de dispositivos de rede: o roteador de borda, responsável por conectar os dispositivos ao mundo externo; o nó roteador, que amplia a cobertura da rede e oferece possibilidade de redundância de links na rede; e o nó folha que somente é responsável pelos seus serviços. 

Para disponibilizar os dados provenientes dos roteadores de borda às aplicações externas, a solução precisa de um Backhaul, que é um sistema composto por equipamentos de média/baixa capilaridade, por exemplo: tecnologia celular, Wi-FI, Ethernet, etc …

Wi-SUN

Porque Wi-SUN?

Por que a tecnologia Wi-SUN é uma boa opção para soluções de cidades inteligentes?

Bom, ambientes urbanos são ambientes que possuem muitos sinais interferentes, ainda mais operando em banda não licenciada, na qual os transmissores não tomam conhecimento de sistemas paralelos funcionando nas mesmas frequências. É claro que essa faixa é regulada e que os equipamentos precisam respeitar os limites impostos pela Anatel. 

A figura abaixo mostra o espectro de canais na faixa de 902MHz a 928MHz de um produto Wi-SUN homologado no Brasil, note que aqui temos uma faixa que não podemos utilizar, que vai de 907.5MHz a 915MHz.

Wi-SUN

Enfim, um dos bons motivos para escolher a tecnologia Wi-SUN é que ela é muito robusta a interferências, já que aplica a técnica de saltos em frequências em seus dispositivos. O grande detalhe é que cada dispositivo segue sua própria sequência de saltos, evitando interferências geradas pelos próprios componentes dessa rede.

Vamos supor que todos os nós da rede abaixo estejam no mesmo raio de alcance e todos podem se ouvir, nesse caso, poderiam haver várias transmissões simultâneas sem que haja colisões, o que aumenta a capacidade e a robustez da rede.

Wi-SUN

Um outro ponto, é a questão de interoperabilidade e compatibilidade entre diversos fabricantes de chips, fazendo com que os NICs fiquem mais baratos. 

A Aliança Wi-SUN atualmente possui mais de 130 empresas incluindo fabricantes de chips, fabricantes de produtos, empresas de soluções de software, instituições governamentais e universidades. Todos esses membros estão trabalhando para garantir as questões de interoperabilidade, compatibilidade e padronização.

Um ponto chave para também escolher essa tecnologia é a segurança. O controle de acesso a rede é baseado nos padrões IEEE802.1X e EAP-TLS [RFC 5216]. Os nós mantêm chaves de grupo que são trocadas periodicamente e utilizam contadores únicos por pacote para evitar ataques de replay.

Resumindo, fatores chaves para levar em consideração:

  • Padrões abertos –  IEEE802.15.4g/IPv6
  • Interoperabilidade entre fabricantes de chip
  • Infraestrutura simples
  • Alto nível de segurança
  • Rede em malha testada e comprovada
  • Longo alcance (+- 1km ponto a ponto)
  • Confiável e robusta
  • Suporta dispositivos a bateria
  • Suporta planos de frequência globais e por regiões 

Como começar com Wi-SUN?

Diversos fabricantes de chips já tem sua stack Wi-SUN implementada ou estão no caminho para ter. É o caso de Renesas, Texas Instruments, Silicon Labs, ST, etc …

Dessas, na minha opinião, quem tem a ferramenta mais madura até o momento é a Renesas, que disponibiliza já as placas de avaliação e os softwares para configurar os parâmetros da rede.

Os primeiros passos e onde adquirir as placas estão descritos no link abaixo.

https://www.renesas.com/us/en/software-tool/sub-ghzwi-sun-protocol-stack

Um tutorial interessante também é o da Pelion:

https://developer.pelion.com/docs/device-management/current/connecting/wi-sun-tutorial.html

Conclusão

A rede Wi-SUN é uma ótima opção para soluções em áreas urbanas, não é à toa que grande parte dos editais de aplicações para cidades inteligentes tem especificações voltadas aos requisitos que a tecnologia Wi-SUN atende.

É claro que, como várias pessoas e empresas dizem, não existe bala de prata, todas as tecnologias têm suas qualidades e defeitos, mas essa tecnologia foi pensada e desenvolvida para funcionar e operar em ambientes urbanos, com alta densidade de dispositivos de forma escalável, segura, confiável e robusta.

É uma boa aposta!

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