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Tecnologias celulares aplicadas em IoT

Tecnologias celulares aplicadas em IoT

Uma grande vantagem apresentada no mercado de IoT é a possibilidade da utilização de tecnologia de comunicação celular em nossas aplicações. Diferente de alguns protocolos, como por exemplo Bluetooth, Wi-Fi, LPWAN, etc, as tecnologias celulares apresentam protocolos de longo alcance e, ao mesmo tempo, alto volume de transmissão de dados. Neste artigo iremos abordar as principais redes celulares e seus impactos em IoT.

 

Começando pelo 2G

 

A partir de 1990 surge a segunda geração de comunicações móveis celulares, fundamentada na tecnologia digital.  Dentro dessa tecnologia, foi desenvolvido o sistema GSM (Global System for Mobile) que oferece ao usuário serviços de telefone, dados com taxa de 300 bps a 9,6Kbps, fax, identificação de chamada e  mensagens curtas (Short Messaging Service - SMS).

 

Vale ressaltar também que dentro da tecnologia GSM há um módulo de identificação do usuário assinante, denominado SIM (Subscriber Identify Module). Este módulo, por sua vez, nada mais é que um cartão (figura 1), capaz de armazenar informações, como: identificação da linha, contatos e operadora.

 

Cartão SIM

Figura 1- Cartão SIM

 

Com a demanda crescente de usuários conectados à internet, houve a necessidade da criação de outro sistema de comunicação sem fio, denominado 2,5G, pois a rede 2G era relativamente insuficiente para tráfego na internet.

 

Rede 2,5G ou 2G+

 

Os sistemas de redes 2,5G são melhorias do sistema 2G, pois apresentam maiores taxas de transmissões de dados. Essas redes foram derivadas a partir de três tecnologias, sendo elas: HSCSD (High Speed Circuit Switched Data), GPRS (General Packet Radio Service) e EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution).

 

A tecnologia HSCSD foi a primeira tecnologia a oferecer extensão em largura de banda, chegando a entregar no máximo 57,6 Kbps. Esse sistema não persistiu, devido à chegada do GPRS.

 

O serviço GPRS aumenta as taxas de transferências nas redes GSM. Em situações ideais, o GPRS pode atingir até 171,2 Kbps. Porém na prática, este valor cai absurdamente, ficando em torno de 40 Kbps.

 

Com o processo evolutivo tecnológico, houve a implantação do serviço EDGE que basicamente é uma melhoria do sistema GPRS, por entregar cerca de 547,2 Kbps.

 

Para aplicações de IoT que necessitam de poucos bytes a serem transmitidos a longa distância, as redes 2G e 2,5 podem ser boas soluções. É importante evidenciarmos que as plataformas de IoT que utilizam essa solução apresentam custos reduzidos, se comparadas às das próximas tecnologias que abordaremos logo adiante.

 

Um exemplo de board para esse tipo de rede pode ser a Electron com módulo U-blox G350, ilustrada conforme a figura 2.

 

Tecnologias celulares aplicadas em IoT - Electron 2G com módulo G350

Figura 2 - Electron 2G com módulo G350

 

Chegamos em redes celulares de terceira geração (3G)

 

O sistema 3G tem um enorme destaque, pois o seu objetivo era melhorar a taxa de dados, em relação às tecnologias 2G e 2,5G e também possibilitar serviços adicionais, como por exemplo, acesso rápido à internet, vídeos e jogos. O 3G passou a ser fornecido em 2001 nos continentes asiático e europeu, por meio do sistema UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), atingindo então, velocidades acima do Megabits por segundo. O UMTS fornece dois modos de acesso: WCDMA e HSDPA.

 

O WCDMA (WideBand Code Division Multiple Access) entrega taxas de transmissão de aproximadamente 384 Kbps em condições ideais, tanto para downloads, como para upload. Na prática, esse valor cai para 236.8 Kbps. Já o HDSPA (High Speed Downlink Packet Access) é um protocolo mais recente que entrega taxas de 1.8 a 14.4 Mbps, sendo 7.2Mbps o valor mais usual empregado pelas operadoras de telefonia móvel. É importante salientarmos que a qualidade do sinal entregue por ambos os protocolos pode variar de acordo com a quantidade de usuários conectados à mesma estação de transmissão.

 

Devido à infraestrutura que as redes 3G oferecem, essa tecnologia pode ser claramente empregada em soluções de IoT que requerem alto volume de dados para aplicações remotas. Devemos ficar atento ao consumo de bateria, pois este pode ser relativamente alto, quando nossas plaquinhas precisam conectar-se à rede.

 

Dois exemplos de plataformas 3G que podemos estar aplicando em nosso projetos, são: Electron 3G com módulo U-Blox U260 (figura 3) e LX Cellular Core (figura 4).

 

Electron 3G com módulo U-Blox U260

Figura 3 - Electron 3G com módulo U-Blox U260

Plataforma LX Cellular Core

Figura 4- Plataforma LX Cellular Core

 

LTE e 4G - As grandes soluções para aplicações remotas

 

A LTE (Long Term Evolution) é tratada como rede 4G por muitos fabricantes, mas o ITU (International Telecommunication Union) considera como sendo uma rede 3G. A LTE é a rede mais utilizada no mundo, pois fornece taxas de transmissão que podem chegar a 300 Mbps. A figura 6 representa o logo da tecnologia LTE.

 

Símbolo da rede LTE

Figura 5- Símbolo da rede LTE

 

A tecnologia LTE foi originada da técnica de modulação de dados, conhecida como OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), que permite a transmissão de dados em banda dividida em múltiplas portadoras ortogonais. Isso significa que pelo fato delas serem ortogonais, ou seja, não possuem sobreposição de frequência, elas não interferem entre si. Dessa maneira, os dispositivos que empregam LTE são capazes de trabalhar em meios que apresentam elevados índices de interferência.

 

Não podemos deixar de falar que o OFDMA é voltado para downlink, portanto suas propriedades tornam-se desfavoráveis para uplink. Em meio a isto, há um técnica chamada SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) que tem por objetivo oferecer baixa potência para a forma de onda de transmissão, resultando desta forma em menor consumo de energia.

 

A LTE também passou por um processo evolutivo e surgiu a LTE Advanced, que é considerada por muitos como sendo uma rede 4G. Tal tecnologia é capaz de destinar cerca de 1Gbps para downlink e 500 Mbps para uplink.

 

Perante essa robustez apresentada pelas redes LTE, é possível atentar-se para capacidades MTC (Machine Type Communication), que trata basicamente de questões como as reduções de consumo de energia, custos e complexidade dos devices. O MTC é uma terminologia que emprega o conceito de conectar milhares de devices em uma rede de elevado porte.

 

Para finalizarmos, um hardware interessante para aplicações com 4G é o Waspmote da Libelium (figura 6), que além de oferecer suportes como pinos de entradas analógicas, pinos digitais, PWM, UART, I2C, etc, ainda entrega periféricos para transmissões de dados via protocolos 4G/3G/GPRS/LoRaWAN/LoRa/Sigox/Zigbee/Bluetooth e Wi-Fi.

 

Plataforma Waspmote da Libelium

Figura 6 - Plataforma Waspmote da Libelium

 

Referências

 

OLIVEIRA, Carlos. Análise de Desempenho dos Sistemas Móveis Celulares 2G, 2,5G e 3G. Universidade Estadual de Campinas.

 

DIAS, Renata. Internet das Coisas sem mistérios. Uma nova inteligência para os negócios. São Paulo: Netpress Books, 2016.

 

AERIS. Whats G Is Right for IOT/M2M? Aeris Communications, 2016.

 

ROMER, Rafael. GSM, 3G, EDGE, HPSA, 4G e LTE: entenda as siglas de conexão mobile. Canaltech, 2015.

 

MORIMOTO, Carlos. Entendendo o 3G. Hardware.com.br, 2009.

 

4G AMERICAS. Cellular Technologies Enabling the Internet of Things, Novembro de 2015.

 

SOLYSION. Conheça os padros de comunicação sem fio para a internet das coisas, 2016.

 

GUEDES, Luiz. O sistema LTE. Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2009.

 

HANTA, B. SC-FDMA and LTE Uplink Physical Layer Design.Ausgewählte Kapitel der Nachrichtentechnik, 2009.

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