5 coisas que você precisa saber sobre Gateways LoraWAN

5 coisas que você precisa saber sobre Gateways LoraWAN

O gateway baseado em LoRaWAN é uma interface da camada física (PHY) para o servidor de rede LoRaWAN (LNS). Por um lado, ele escuta certas partes do espetro de rádio e decodifica sinais modulados em LoRa® provenientes de sensores baseados em LoRa. Por outro lado, o gateway transmite mensagens da rede para um sensor como sinais modulados em LoRa.

Os parâmetros exatos que regem a recepção e a transmissão desses sinais são especificados nos Parâmetros Regionais LoRaWAN. Os parâmetros são diferenciados regionalmente porque existem diferentes requisitos regulatórios em diferentes regiões do mundo.

1. O Papel do Gateway na LoRaWAN

Primeiro, as comunicações LoRa decodificadas são verificadas quanto à codificação LoRaWAN correta. Uma verificação CRC adicional garante a integridade das mensagens. Quando um frame passa em todas as verificações, ele é encaminhado diretamente para o servidor de rede junto com metadados, como:

- Intensidade do sinal de rádio (RSSI)

- Relação sinal ruído (SNR)

- Frequência do canal de recepção

- Tempo de recepção

- Taxa de dados (DR)

Ao se comunicar com dispositivos LoRaWAN Classe A, o servidor de rede tem a oportunidade de responder às mensagens de uplink após um atraso pré-definido. Para isso, o LNS agenda uma transmissão de downlink no gateway para garantir que todas as restrições regulatórias sejam atendidas antes de iniciar a transmissão.

A arquitetura LoRaWAN permite que o gateway cumpra seu papel sem conhecer nenhuma informação específica do dispositivo. Em particular, o gateway não precisa lidar com nenhuma chave criptográfica LoRaWAN ou outras informações de estado relacionadas aos dispositivos individuais baseados em LoRaWAN com os quais ele se comunica. Esse aspecto do protocolo LoRaWANN garante sua segurança e escalabilidade, e permite que os gateways baseados em LoRaWAN se concentrem puramente em sua missão principal: retransmitir pacotes LoRaWAN entre o dispositivo e o servidor de rede de forma rápida e confiável.

Os gateways LoRaWAN são dispositivos tradicionalmente alimentados pela rede elétrica e consistem em um front end de rádio LoRa, que é controlado por uma plataforma host por meio de uma interface serial. Um módulo de comunicação adicional de banda larga (celular ou Ethernet) fornece conectividade de backhaul para o LNS sobre IP. A plataforma anfitriã inclui frequentemente um sistema operacional Linux completo. No entanto, mais recentemente, a tendência para a miniaturização levou à concepção de gateways baseadas em plataformas anfitriãs mais rentáveis, mas com recursos limitados, baseadas em sistemas operativos em tempo real.

Para OEMs que pretendem projetar e comercializar gateways LoRaWAN, a Semtech oferece um conjunto abrangente, processadores de banda base front-end e projetos de referência com o portfólio LoRa Core™.

Especificações de duplexadores

2. Tipos de gateways e opções de implantação

Os modelos de gateway são geralmente classificados em dois grupos: gateways internos e externos.

Os gateways internos (indoors) normalmente vêm em caixas plásticas leves e têm como objetivo facilitar a implantação interna fácil e econômica para estender a cobertura da rede LoRaWAN para dentro dos edifícios. As configurações mais comuns desses gateways apresentam uma única antena LoRa e uma interface Wi-Fi ou Ethernet para conectividade de backhaul.

Os gateways externos (outdoors) são encontrados em torres ou telhados, envoltos em uma caixa à prova de intempéries. Esses gateways fornecem cobertura em grandes áreas usando antenas de alto ganho. A conectividade de backhaul é assegurada através de uma gama de canais de banda larga, utilizando frequentemente a conectividade celular como alternativa. Além disso, um receptor GPS fornece uma fonte de tempo precisa para permitir que o gateway emita beacons LoRaWAN Classe B.

A configuração mais comum de gateway apresenta um único processador de banda base LoRa SX1302 que é capaz de receber em oito canais e todos os fatores de espalhamento simultaneamente.

Uma variedade de fornecedores de gateways oferece soluções que se diferenciam em vários aspectos relacionados à conectividade de backhaul, opções de RF, interoperabilidade, opções de montagem, tamanho, suporte, software de gerenciamento e muito mais. É essa diversidade de opções de gateway que permite que as implantações LoRaWAN sejam flexíveis e capazes de se adaptar a diferentes necessidades; por exemplo, com um pequeno número de gateways externos, grandes áreas podem ser cobertas com uma rede privada. Os entusiastas da tecnologia podem construir os seus próprios gateways e utilizá-los para fornecer cobertura a sensores instalados na vizinhança. Gateways exteriores (outdoors) industriais fornecem cobertura de base a nível nacional para muitas aplicações.

3. Software de gateway

Em sua essência, o software de cada gateway baseado em LoRaWAN deve incluir funcionalidades para acionar o hardware de rádio e se comunicar com o servidor de rede. Mais concretamente, isso implica em

- Gerenciar a conectividade do backhaul

- Reconectar após perder a conexão de backhaul

- Gerir as credenciais de autenticação do cliente e do servidor

- Gerir o acesso ao espetro

- Configurar o hardware de rádio

- Aplicação de regulamentos regionais (como ciclo de trabalho, tempo de permanência, ouvir antes de falar)

- Gestão do fluxo de pacotes

- Sondagem do hardware de rádio para novos pacotes

- Verificação da integridade dos pacotes

- Armazenamento em buffer dos pacotes de ligação ascendente recebidos

- Manutenção do horário das transmissões de ligação descendente

A interface com o hardware do rádio é fornecida pela Semtech sob a forma de uma biblioteca C que implementa uma camada de abstração de hardware (HAL). Existem diferentes implementações da camada HAL para os diferentes projetos de gateway.

A interface entre o gateway e o servidor de rede ainda não está normalizada e existem várias implementações dessa interface específicas de fornecedores de LNS.

A Semtech fornece duas implementações de software de gateway de código aberto: Packet Forwarder e LoRa Basics™ Station.

O projeto Packet Forwarder tem uma longa história e, portanto, está bem estabelecido. Ele fornece uma interface simples baseada em UDP, permitindo que os desenvolvedores comecem a usar o novo hardware rapidamente em um laboratório ou ambiente de teste.

LoRa Basics Station (LBS) aborda questões que surgem quando os gateways operam em grande número em escala. Lançado em 2019, ele fornece uma variedade de recursos úteis além de seus dois protocolos. O protocolo LNS é o plano de dados primário, fornecendo um canal de comunicação bidirecional de baixa latência através de WebSockets seguros. Aspectos de balanceamento de carga e gerenciamento de configuração centralizado são incorporados a esse protocolo. Além disso, o LBS fornece gerenciamento de credenciais e interface de atualização de firmware por meio do protocolo CUPS (Configuration and Update Server) – uma transação HTTPS autenticada simples para fornecer credenciais de interface LNS e binários de firmware assinados. Com estes blocos de construção básicos, uma variedade de operações de implantação, configuração, gestão e inspeção pode ser realizada de forma segura sem a necessidade de interação física.

4. Segurança do Gateway

A segurança dos gateways é fundamental para proteger a infraestrutura de uma rede LoRaWAN. Sendo assim, o link de comunicação com o LNS correspondente deve ser protegido. Um aspecto importante da segurança do link de comunicação é a autenticação mútua, ou seja, tanto a autenticação do cliente quanto a do servidor. São comuns duas abordagens para proteger esta ligação de comunicação: TLS e IPSec. As VPNs IPsec (redes privadas virtuais) ligam anfitriões ou redes a uma rede privada protegida, enquanto as VPNs SSL/TLS ligam de forma segura a sessão de aplicação de um utilizador a serviços dentro de uma rede protegida. Dependendo da infraestrutura de rede disponível e dos recursos de hardware do gateway, pode ser preferível uma ou outra abordagem. Por exemplo, quando se utiliza um gateway incorporado de baixo custo, com memória volátil limitada, o IPSec pode exigir demasiados recursos, tornando o TLS a solução adequada.

Um link de comunicação seguro torna-se ainda mais importante quando se implanta um grande número de gateways de baixo custo em picocélulas. Para suportar cenários de implantação maciça, é uma boa prática que as gateways tenham um conjunto específico de credenciais de bootstrap incorporadas durante a produção, semelhante à forma como os dispositivos finais habilitados para LoRaWAN são fabricados com uma chave incorporada específica do dispositivo. Essas credenciais de inicialização permitem que os gateways descubram um dispositivo final LNS e troquem de forma segura outras credenciais para o subsequente aprovisionamento e comunicação com o LNS correspondente. Este tipo de processo permite que os gateways utilizem várias instâncias de LNS oferecidas por diferentes fornecedores, mantendo-se seguras através da utilização de credenciais personalizadas específicas do gateway que fornecem autenticação do cliente. A distribuição de credenciais seguras e o provisionamento de gateways no LNS correspondente podem ser referidos como o “processo de adesão à gateway”.

Além do processo seguro de adesão ao gateway, que garante um link de comunicação LNS seguro, vários aspectos devem ser considerados com relação à segurança geral do gateway e à proteção da infraestrutura LoRaWAN. Esses aspectos incluem:

 - Reforçar o sistema operativo (SO) do gateway

- Aplicação de patches e atualizações de segurança

- Reduzir o número de portas de escuta abertas e ligações de rede em geral

- Utilizar credenciais específicas do gateway, ou seja, senhas, chaves, tokens e certificados

- Desativar o acesso baseado em senha e configurar o acesso por chave pública

- Garantir que o acesso físico é autenticado

5. Planejamento de rede e Adaptive Data Rate (ADR)

Ao configurar a sua rede, existem vários aspectos críticos na determinação da capacidade das gateways.

- Chaves para a capacidade de ligação ascendente (dispositivo para rede, através de uma porta de ligação)

- O número de canais disponíveis na especificação dos parâmetros regionais

- O número de canais utilizados na porta de ligação

- O número de taxas de dados definido na especificação de parâmetros regionais

- Utilização da rede LoRaWAN para taxas de dados adaptativas (ADR)

- Restrições nos ciclos de trabalho dos dispositivos definidas em países ou regiões (também definido na especificação de parâmetros regionais)

- Distribuição de gateways numa rede para obter diversidade de tempo e intensidade de sinal (pelo menos 6 dB)

Em um nível alto, a maneira mais simples de ver a capacidade é o número de canais usados ao longo do tempo. O fator adicional incorporado na LoRaWAN é o uso de taxas de dados (DR), que são uma combinação dos fatores de espalhamento LoRa com a largura de banda. As DRs representam o tempo total ocupado num canal para uma quantidade fixa de dados. Quanto menor a DR, mais tempo leva para transmitir a mensagem pelo ar; no entanto, o benefício é um ganho extra de processamento e, portanto, um maior alcance de recepção do sinal. Os sinais recebidos exatamente ao mesmo tempo com o mesmo DR podem ser recebidos se estiverem em frequências de canal diferentes.

A figura mostra N canais de dados recebidos num gateway ao longo do tempo, transmitidos a quatro DRs diferentes. Como mencionado, os sinais dos diferentes canais não interferem uns com os outros. Além disso, este exemplo foi formulado de forma a não haver sobreposições de transmissão de sinais dentro do mesmo canal para o mesmo DR. Embora existam sobreposições dentro do canal em diferentes DRs, o rádio LoRa frequentemente será capaz de distinguir entre dois sinais diferentes de DRs recebidos ao mesmo tempo. Se houvesse sinais no mesmo canal no mesmo DR recebidos ao mesmo tempo, ambos os sinais provavelmente seriam perdidos. Isso enfatiza a necessidade de usar DRs mais altos e encurtar o tempo no ar, maximizando a capacidade do canal.

É importante compreender que os sinais de dois dispositivos no mesmo canal, recebidos ao mesmo tempo e com o mesmo DR, resultarão normalmente numa colisão e ambas as mensagens dos dispositivos serão provavelmente perdidas. Entretanto, se um sinal for 6 dB ou mais alto que o outro, a camada LoRa PHY pode resolver o sinal mais alto e rejeitar o mais baixo. Portanto, se houver uma distribuição de gateways em uma área de cobertura com separação suficiente, é possível que sinais que podem ser completamente perdidos por um único gateway possam ser pelo menos parcialmente resolvidos por dois gateways em uma rede distribuída.

O impacto da ADR distribuirá os DRs de tal forma que os dispositivos mais próximos de um gateway terão os DRs mais altos e ocuparão a menor quantidade de tempo em um canal de transmissão. É importante reconhecer que a rede precisa de controlar o ADR porque os dispositivos que transmitem os sinais não têm uma medida dos níveis de sinal recebidos pela porta de ligação. A rede precisa ser capaz de determinar esses níveis de sinal (e a quantidade de tráfego) e comandar os dispositivos para que usem os DRs adequados para o tráfego e os níveis de sinal recebidos. Note-se que o dispositivo também precisa suportar a capacidade de receber e implementar os parâmetros de alteração de DR.

Artigo original: 5 Things You Need to Know about LoRaWAN®-based Gateways