Redes IOT 4

Prévia do material em texto

REDES PARA IOT 
AULA 4 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Prof. Gian Carlo Brustolin 
 
 
 
2 
CONVERSA INICIAL 
Neste capítulo, estudaremos com um pouco mais de profundidade o 
padrão Wi-Fi 6, que provavelmente será o mote das novas implantações de 
redes sem fio em ambientes comerciais. Como já percebemos, essas redes com 
origem nos padrões 802.11 não são plenamente apropriadas para o uso de 
objetos IoT, embora sejam de nosso conhecimento obrigatório, dada a sua 
popularidade. 
Após concluirmos este mergulho nos padrões Wi-Fi, partiremos para o 
estudo da LPWANs, que tem aplicação muito mais pertinente para os objetos de 
nosso estudo. Entenderemos a distinção entre LPWANs privativas e não 
privativas, e iniciaremos o estudo de alguns padrões importantes de redes não 
privativas: NB LTE, NB IoT e Sigfox. Como de hábito, será necessário dominar 
os assuntos anteriores deste curso e sempre que possível acessar as 
bibliografias indicadas em cada tema. 
TEMA 1 – WI-FI 6 
Em nosso último capítulo, apresentamos a evolução dos padrões 802.11 
focando no IEEE 802.11.ac. Adiantamos alguns benefícios das evoluções 6, 6E 
e 7. Poderemos agora aprofundarmos um pouco o conhecimento da versão 6 
(IEEE 802.11.ax), uma vez que esta trata convenientemente redes densas, 
dessa forma pode conviver mais facilmente com objetos IoT que as versões 
anteriores. Nestas, dadas as particularidades dos protocolos que estudamos, a 
presença desses objetos pode se tornar considerável ônus para a rede. Vamos 
então estudar as principais evoluções dessa versão. 
1.1 OFDMA 
A ideia de tratar altas densidades de usuários precisa ser acompanhada 
de uma técnica de modulação que permita essa densidade. As técnicas 
utilizadas nas versões anteriores garantem boa banda de transmissão, porém 
limitam o número de transmissões simultâneas. O OFDMA (acesso múltiplo por 
divisão ortogonal de frequência) utiliza técnica similar ao OFDM, presente na 
versão 5, porém, além do empacotamento dos dados do OFDM, o OFDMA divide 
 
 
3 
o espectro do canal em subportadoras, permitindo a transmissão simultânea de 
pacotes de dados. 
A quantidade de subportadoras pode chegar a uma centena para um 
mesmo canal, se desejarmos uma banda de transmissão não muito grande para 
cada subportadora. As subportadoras são então agregadas em RUs (Resource 
Units) e cada usuário receberá um ou mais RUs. A quantidade de subportadoras 
por RU é de no mínimo 26 para manter o espalhamento espectral da informação, 
como na técnica anterior, da versão 5. Em um canal Wi-Fi de 20 MHz, o 802.11ax 
acomodam-se 256 subportadoras, facultando, portanto, a conexão de até 9 
usuários simultâneos, considerados os necessários intervalos espectrais entre 
RUs (GI – Guard Interval). Os GIs já existiam na versão 5, porém na nova versão 
eles podem ter variações para maior, permitindo acomodar os delays dos RUs 
em ambientes com efeitos de multitrajeto significativos. 
O OFDMA, além de facultar redes de alta densidade, permite designar a 
banda exata, necessária a cada usuário conforme lhe designamos mais ou 
menos RUs. Ocorre também uma vantagem em termos de carga útil dos dados 
transmitidos. Uma vez que designamos um RU para um usuário, a comunicação 
entre este e a estação base se torna aproximadamente um enlace PTP. Ou seja, 
não são mais necessários cabeçalhos de endereçamento em todos os pacotes 
transmitidos. Essa vantagem acessória aumenta a taxa efetiva de transmissão 
dos enlaces. 
Por outro lado, como existem várias subportadoras, o tempo de espera 
para transmissão cai vertiginosamente, já que há vários canais virtuais de 
comunicação. A figura abaixo ilustra a ocupação do espectro, demonstrando o 
acréscimo da multiplexação em frequência à tradicional multiplexação temporal 
do OFDM clássico. 
 
 
 
4 
Figura 1 – Acesso múltiplo OFDMA x OFDM 
 
Fonte: ZTEC, 2021. 
O padrão 802.11ax tem ainda outras novidades para incrementar ainda 
mais a capacidade de atendimento a redes de alta densidade de usuários. 
Quando estudamos a versão 5, dissemos que a técnica de acesso multiusuário 
MU-MIMO ocorria apenas na descida dos dados do AP para os dispositivos de 
usuários (DL MU-MIMO). A versão 6 implementa o UL MU-MIMO, como veremos 
a seguir. 
1.2 MU-MIMO de Upload e Download 
A técnica DL MU-MIMO (Download Multi-user Multiple-Input Multiple-
Output), para o 802.11ac, foi estudada no capítulo anterior e sabemos ser 
baseada em multiplexação espacial, obtida pela formatação dos enlaces 
(beamforming), simulando o efeito de múltiplos trajetos a partir de um frame de 
amostragem. Para ser possível a comunicação por esta técnica, o AP deve 
possuir múltiplos pares de antenas. A mesma tecnologia é usada nas redes 
802.11ax para o download de dados. A novidade ocorre quando a versão 6 
implementa sistema semelhante no upload, quando os dados são transmitidos 
do dispositivo de usuário em direção ao AP, dito UL MU-MIMO (Upload Multi-
user Multiple-Input Multiple-Output). 
 
 
5 
Para implementar o UL MU-MIMO, de forma que também o dispositivo 
possa formatar seu feixe de transmissão, será necessário realizar o cálculo da 
matriz de canal no sentido inverso. O AP emitirá o frame de sondagem como de 
hábito. Entretanto, ao receber a resposta do dispositivo, ele calculará não só os 
parâmetros de diversidade de canal para a transmissão do sinal, mas também o 
fará para o dispositivo. O resultado desse cálculo será então enviado ao usuário 
para que este formate seus feixes de transmissão. Dessa forma, o incremento 
da quantidade de usuários e a estabilidade da conexão entre dispositivo e AP se 
veem garantidos. 
Até este ponto, verificamos que a versão 6 não só possibilita maior 
densidade de usuários, mas também permite que dediquemos bandas 
específicas para cada dispositivo conectado. Essas duas características 
aproximam esta técnica do que necessitamos para o uso com objetos IoT. Há 
uma lacuna ainda, que se refere à demanda por energia. Dispositivos ligados a 
redes Wi-Fi até esta versão são bastante ávidos por alimentação, o que 
inviabiliza o uso para objetos IoT, os quais têm, tipicamente, baterias de baixa 
capacidade. Para resolver este problema, a versão 6 implementa o TWT. 
1.3 TWT 
A operação em modo adormecido sempre foi um sonho perseguido pelas 
redes sem fio. Permitir que os dispositivos fora de uso adormeçam sem perder 
a conexão com a rede tem inúmeras vantagens, tanto em ocupação espectral, 
quanto, principalmente, na longevidade das baterias desses equipamentos. Uma 
bateria tem vida útil calculada conforme o número de cargas que sofre. A bateria 
que permanecer em operação por mais tempo será recarregada com menor 
frequência e, consequentemente, terá sua vida útil alongada, reduzindo a 
necessidade de substituições. 
Na versão 5, o dispositivo tinha um compromisso de emissão de frames 
em direção do AP, como estudamos, informando sua presença e status de 
operação, mas o intervalo de beaconing era constante. A versão 6 permite a 
negociação desses tempos entre cada dispositivo e o AP ao qual está conectado. 
O período de beaconing negociado será dito Targed Wake Time (TWT) ou tempo 
alvo para despertar. Há alguns padrões de TWT. Inicialmente, setada a opção 
de uso do TWT, o AP emitirá uma agenda de beaconing, ou seja, determinará 
 
 
6 
quando cada dispositivo deverá despertar. O dispositivo pode, entretanto, 
informar ao AP necessidades particulares de adormecimento. 
 
1.4 Wi-Fi 6 em domótica 
Nas residências, há duas necessidades básicas de comunicação: uma 
relacionada ao uso humano, como vídeos, acesso a sites de internet e jogos 
digitais; e outra relacionada aos objetos inteligentes. Para o primeiro cenário, os 
benefícios do Wi-Fi 6 são evidentes. O uso dos RUs e a técnica UL MU-MIMO 
permitem latências baixas, o que possibilita o uso da rede em aplicações de VR, 
já a flexibilidade de bandatorna a profundidade de cor muito mais eficiente em 
aplicações de vídeo em tempo real. Para o segundo cenário, que é tema de 
nosso estudo, verifiquemos se a tecnologia pode-nos ser útil. 
Inicialmente, três são as características importantes que a rede deve 
possuir para atender aos objetos inteligentes nas aplicações residenciais. A 
primeira característica se refere à densidade. A rede deve ser capaz de atender 
a uma grande quantidade de objetos. Alguns estudos indicam que em breve 
teremos mais de uma centena de objetos (ZTEC, 2022). A segunda 
característica está ligada ao consumo de energia, uma vez que existem objetos 
que não estão conectados à rede elétrica, a exemplo de portas inteligentes (e 
não apenas fechaduras automáticas). A terceira característica é a 
interoperabilidade. Objetos inteligentes, em aplicações domésticas, precisam ser 
controláveis por uma série de terminais e softwares distintos, habitantes de 
plataformas bastante heterogêneas. 
O Wi-Fi 6 consegue atender a estas três características, com destaque, 
no caso das aplicações em domótica, para a terceira, em que o padrão 802.11 
se adapta nativamente ao uso de celulares, que é o meio mais popular de 
controle dos objetos domésticos. 
Observando, em seguida, a aplicação do 802.11ax em outras aplicações 
típicas de objetos inteligentes como redes industriais e cidades inteligentes, por 
exemplo. Sem dúvida, as técnicas de modulação e protocolos MAC 
desenvolvidos para esta versão podem atender a cenários de alta densidade de 
usuários, a exemplo de aeroportos e estádios esportivos. A utilização dos RUs 
faculta o compartilhamento da rede de usuários humanos com objetos 
inteligentes sem que estes últimos reduzam significativamente a capacidade de 
 
 
7 
conexão dos APs. O desenho do Wi-Fi 6, entretanto, não focou no atendimento 
a objetos de baixíssima demanda de banda, alta disponibilidade e dispersão 
espacial dos dispositivos, como é o caso das cidades inteligentes. Nestas 
últimas, a cobertura de grandes áreas demandaria excessivo investimento em 
APs, principalmente em função das dificuldades de operação em NLOS. As 
redes industriais, por sua vez, embora sejam redes com dispositivos fisicamente 
concentrados, têm um perfil de ruído que exige um protocolo de correção de 
erros robusto e confiável. Este também não foi o foco de desenvolvimento dos 
protocolos desta versão. Naturalmente, dada a falta de cases em número 
suficiente para gerar as análises estatísticas, ainda não se pode afirmar o 
insucesso dessa nova versão para essas aplicações. 
Aplicações em redes de sensoriamento certamente necessitam de 
protocolos particularizados para sua operação, como são aqueles desenvolvidos 
para LPWANs. 
TEMA 2 – LPWANs 
Como já comentamos em várias oportunidades neste curso, os objetos 
inteligentes têm determinadas características de operação voltadas para redes 
de baixa performance, do ponto de vista de taxa de transmissão de dados, 
porém, de performance alta em relação à resiliência da rede. O sentido 
predominante de transmissão se vê alterado também. Enquanto a maioria das 
redes tem pequenos pulsos de uplink e pesados downlinks, as redes de objetos 
IoT normalmente operam com predominância de pequenos pacotes de uplink. 
As redes que atendem a objetos e não a humanos, diretamente, são 
genericamente ditas redes de comunicação M2M (Machine to Machine), ou 
redes de comunicação entre máquinas. Redes LPWAN são um tipo de rede para 
M2M. 
O desenho de redes LPWAN – Low Power Wide Area Networks (ou redes 
de grande alcance e baixa potência) visam dar conectividade a objetos simples 
que executam aplicações de baixa complexidade e atendem a boa parte dos 
requisitos de nossos objetos. Entre as tecnologias listadas como LPWAN estão 
LoRa, Wi-SUN, SIGFOX, RPMA, Weightless, DASH-7 e NBIoT (Prando, 2019). 
São muitas tecnologias sob o mesmo guarda-chuva. Por esse motivo, 
vamos categorizá-las para que possamos entender quais melhor se adaptam a 
cada necessidade de projeto. 
 
 
8 
2.1 Características gerais de uma LPWAN 
O termo LPWAN foi criado para designar redes de bom alcance, baixo 
consumo de energia, alta permeabilidade a objetos e taxas de transmissão 
baixas. As redes atuais LPWAN têm estes parâmetros aproximadamente 
comuns: alcance da rede em torno de 60 km, consumo de energia em modo de 
adormecimento menor que 1 μA e em transmissão em torno de 1mA, frequências 
de operação em UHF e baixo UHF e taxas de transmissão menores do que 300 
kbps. Estes números são, naturalmente, generalizações. Ao estudarmos as 
tecnologias individualmente, conheceremos os parâmetros reais de cada uma 
delas. Pode-se esperar que uma tecnologia, ao se focar, por exemplo, em baixo 
consumo de energia, assuma o ônus de uma latência maior, provocada por 
protocolos que permitam períodos maiores de adormecimento ou com 
parâmetros lascivos de beaconing. 
As redes LPWANs operam em faixas do espectro que permitem rádio-
propagação licenciada e não licenciada, como veremos a seguir. 
2.2 LPWANs licenciadas e não licenciadas 
No que se refere à faixa de frequência de operação, as redes LPWAN 
invariavelmente escolhem espectros abaixo do médio UHF, onde se localizam 
aproximadamente as operadoras celulares de geração 4 e abaixo. Nesta faixa 
abaixo de 1GHz, existem frequências licenciadas e não licenciadas, como já 
estudamos neste curso. 
A princípio, a União Internacional de Telecomunicações (ITU) padronizou 
três áreas mundiais de operação ISM sub GHz para a operação das LPWANs. 
As Américas (incluindo Brasil e EUA) estão na área 2, utilizando a faixa de 
915MHz. Nesse sentido, não haveria redes LPWAN operando em faixas de 
frequências licenciadas, por definição. A proximidade desse espectro com 
aquele ocupado pelas operadoras celulares, entretanto, permitiria a estas 
criarem redes LPWANs seguindo as mesmas especificações daquelas stricto 
sensu, que operam na faixa não licenciada ISM sub GHz. 
O atendimento a objetos inteligentes se tornou um negócio promissor, 
principalmente com a gradual materialização das cidades inteligentes, atraindo 
investimentos para este perfil de tráfego também das operadoras celulares que 
utilizam o espectro licenciado em UHF e já estão presentes nos centros urbanos. 
 
 
9 
Essas operadoras criaram então alguns padrões, como o NB IoT, LTE-M, CAT 
NB e EC GSM, que podem ser considerados, por semelhança tecnológica, 
LPWANs licenciadas. Estes padrões operam nas gerações de equipamentos 
celulares anteriores, como o NB IoT e EC GSM ou apenas em 4G, como LTE-M 
e CAT M ou em todas as gerações celulares, a exemplo do CAT NB. 
Um fato importante a se comentar no que se refere à aplicação de cada 
padrão LPWAN licenciado é que o fato de um padrão operar somente nas 
primeiras gerações celulares não o tornam antiquado. O padrão EC GSM 
(Extended Coverage GSM, ou GSM de cobertura estendida), por exemplo, foi 
desenvolvido em 2018, embora a tecnologia celular neste ano já esteja na quarta 
geração. Isso ocorre porque as operadoras celulares deslocam os equipamentos 
de tecnologias mais antigas para regiões de menor densidade de atendimento. 
Assim, embora a operação da tecnologia 2G não seja mais viável em grandes 
centros urbanos, sua presença em regiões de menor densidade populacional, 
como pequenas cidades ou áreas rurais, é ainda bastante adequada. O 
surgimento recente de demandas por redes sem fio nessas regiões viabiliza a 
adequação das gerações mais antigas do sistema celular ao atendimento à 
agricultura de precisão, por exemplo. 
Figura 2 – Pecuária de precisão com uso de sensores conectados 
 
Créditos: Manhattan001/Shutterstock. 
 
 
10 
Sabemos agora que LPWANs podem operar também em regiões 
licenciadas do espectro de frequências. Nestes casos, a empresa prestadora do 
serviço celular explorará o serviço, operando a rede e tarifando-a. 
Fora do espectrolicenciado, seria então de se esperar que as redes 
LPWANs sejam privadas, ou seja, operadas livremente por aquele que adquirir 
os rádios necessários. De fato, isso não é completamente verdade, como 
veremos a seguir. 
2.1 LPWANs privadas e não privadas 
Algumas empresas prestadoras de serviços, considerando o crescimento 
do mercado de objetos IoT e sua aplicação em situações nas quais o 
investimento do próprio cliente se torna pouco viável (a exemplo do controle de 
veículos autômatos), decidiram investir em redes LPWANs operando em 
espectro não licenciado. Estas empresas (veremos um exemplo quando 
apresentarmos a tecnologia Sigfox) operam redes não licenciadas, porém não 
privadas, uma vez que disponibilizam publicamente seu serviço de redes. Essas 
redes não podem ser ditas públicas, uma vez que tecnicamente, uma rede 
pública deve ser operada por uma empresa que recebe a concessão ou 
autorização de prestação de serviço público, o que não é o caso dessas 
empresas. 
Veremos a seguir algumas tecnologias de redes LPWANs públicas. 
TEMA 3 – NB IoT 
Já antecipamos que NB IoT é um padrão de rede LPWAN que utiliza o 
espectro licenciado de frequências e que, por esse motivo, será disponibilizado 
e tarifado por uma operadora pública de telecomunicações. 
As redes de telefonia (e dados) celular são redes desenvolvidas 
inicialmente para uso em comunicação de voz sem fio e posteriormente para o 
trânsito de dados e acesso à internet, com foco na utilização humana. As redes 
de acesso em banda estreita, ou NB (narrow band), foram adaptações 
posteriores focadas principalmente no atendimento a transações bancárias e 
cartões de crédito. Com o aquecimento do mercado de objetos IoT, nova 
adaptação foi realizada para permitir este atendimento. 
 
 
11 
A padronização das redes NB, entretanto, não segue padrões IEEE, como 
as redes Wi-Fi estudadas até o momento. Os padrões surgem de fabricantes ou 
de associações de fabricantes, a exemplo do grupo 3GPP (3rd Generation 
Partnership), que uniu as iniciativas de sete organizações ligadas à 
padronização do serviço celular (3GPP, 2021). 
3.1 Visão geral do NB IoT 
O padrão NB IoT é uma resposta de fabricantes e operadoras celulares 
para o atendimento aos objetos inteligentes, redes de sensores e atuadores. O 
padrão surgiu ainda nas gerações anteriores ao 4G e não opera sem adaptações 
nesta tecnologia, embora estas adaptações já estejam convenientemente 
padronizadas. Os estudos partiram das seguintes premissas: minimização dos 
segmentos não úteis dos quadros de telefonia celular, acréscimo de camadas de 
segurança de dados, baixo consumo de energia nos dispositivos clientes, baixo 
custo de terminais, área de cobertura estendida e interoperabilidade com redes 
diversas, mas principalmente com o protocolo IP (Schliens; Radino, 2016). 
A taxa de transmissão máxima é inferior a 100 kbps, com valores típicos 
em torno de 20 kbps. Os esforços para extensão da área de cobertura foram 
mais bem-sucedidos na geração 3 (GSM) e não superam algumas dezenas de 
quilômetros. 
3.2 Camada PHY 
Uma vez que este padrão deve coexistir com os dados das redes 
celulares, três soluções foram propostas para viabilizá-lo no ciclo DL (downlink 
– conexão da ERB para o dispositivo). Nas gerações mais novas, reserva-se um 
RU, que pode estar entre os assinantes (in-band) ou fora da faixa de assinantes 
na banda de guarda (guard band). Nestas operadoras 4G, nem todas as 
portadoras estão disponíveis para uso do NB IoT. Já na geração 3, a opção é 
pela ocupação de um slot de assinante, mas, neste caso, todas as portadoras 
podem ser utilizadas. A presença de canais NB IoT em 3G é chamada de 
operação “stand alone”. A figura abaixo ilustra o comentado. 
Figura 3 – NB IoT em LTE (4G) e 3G 
 
 
12 
In-band operation 
 ... 
N
B
-I
o
T
 
 
 
LTE Carrier 
 
Guard band operation 
 ... 
 
N
B
-I
o
T
 
 
LTE Carrier 
 
Stand alone operation 
 ... 
 
N
B
-I
o
T
 
 
 
GSM Carriers 
 
Fonte: Schliens; Radino, 2016. 
 
 
13 
A largura de banda ocupada por um slot NB IoT é de 180 kHz com bandas 
de guarda de 10 kHz em ambos os lados. A modulação do canal será OFDMA, 
como estudamos no padrão 802.11ax acima, neste capítulo. Desta forma, em 
um slot NB IoT, existirão várias subportadoras permitindo múltiplas conexões de 
objetos IoT no mesmo slot. 
No ciclo de UL (uplink – transmissão do dispositivo usuário para a ERB), 
a modulação se altera para SC – FDMA (Single Carrier Frequency Division 
Multiple Access), que por utilizar portadora única, simplifica o rádio-usuário, 
reduzindo seu custo. O protocolo PHY ainda permite a associação de até 12 
subportadoras para permitir alocar mais banda para os dispositivos. Essa 
facilidade atenderia pequenas redes ou segmentos de rede de dispositivos. 
Nesses segmentos, são possíveis transmissões em broadcast e sinalização 
conjunta. 
3.3 Camada MAC 
O desenho da camada de controle de acesso ao meio não sofre 
alterações em relação a esta camada nas gerações 3G ou LTE, ou seja, toda a 
diferença do protocolo para NB IoT é tratado na camada PHY. Porém, como o 
protocolo simplifica a sinalização entre dispositivo e célula, algumas facilidades 
sofrem com esta simplificação. 
O desenho do padrão pressupõe que os objetos acessarão o ERB com 
pouca frequência e utilizarão uma pequena banda de transmissão. A conexão 
desses objetos com a camada de rede do padrão LTE é idêntica a qualquer outra 
conexão de dados nesta tecnologia. Entretanto, os recursos de mobilidade estão 
disponíveis com certas restrições. Um objeto pode conectar-se em células 
distintas conforme se move. A mobilidade dos objetos, porém, não é plena. Se 
um objeto trocar de célula durante uma transmissão, o protocolo não tratará esta 
mudança, e os dados serão perdidos. 
Esta perda de dados transmitidos, entretanto, será percebida pelo objeto 
IoT, dada a ausência de retorno da ERB necessário pelo protocolo PHY. Neste 
caso, uma conexão com a nova ERB será tentada e, obtido o RU desta estação, 
a retransmissão ocorrerá. 
 
 
14 
TEMA 4 – NB LTE/LTE-M 
A distinção entre os protocolos NB IoT e NB LTE ou LTE-M (LTE for 
Machines) não é de todo clara. Muitos autores tomam o termo NB IoT como a 
macroclasse sob a qual estariam a EC-GSM IoT, NB LTE e Cat-M, mas de fato 
o 3GPP tem padrões diferentes para estas tecnologias, dando ao LTE-M um 
contexto de evolução em relação ao NB-IoT. 
4.1 Visão Geral do LTE-M 
O 3GPP desenhou o padrão LTE-M (também designada pelo acrônimo 
eMTC – enhanced Machine Type Communication) para atender a objetos IoT 
diversos daqueles previstos no padrão anterior. Os objetos atendidos pelo LTE-
M demandam bandas de transmissão altas, baixa latência e mobilidade plena, 
além da cobertura estendida, que de fato é o pilar básico dos padrões de 
atendimento a objetos IoT em redes celulares. Naturalmente, ao obtermos 
melhores índices de qualidade de rede, a cobertura sofrerá. Para resolver este 
problema, o padrão LTE-M estabeleceu dois modos de operação. O primeiro 
focado em qualidade de rede e mobilidade e o segundo em cobertura estendida. 
4.2 LTE-M Modo A 
O 3GPP, ao padronizar o LTE-M, criou dois focos de atendimento a 
objetos IoT. O primeiro foco, dito Modo A ou Cat – M1 tem foco em objetos que 
necessitam de bandas de transmissão altas, baixa latência e mobilidade plena. 
O Modo A pode ser dito o modo de operação do LTE-M por excelência, uma vez 
que é absolutamente distinto de seu irmão mais velho, NB IoT. 
Esta opção por bandas de transmissão altas, baixa latência e mobilidade 
naturalmente tornarão a cobertura apenas moderada em relação ao Modo B, 
embora maior que a cobertura tradicional de dados LTE. Este ganho de 
cobertura é obtido por repetidoras, ou seja, acréscimo à rede de estações de 
mera repetição de sinal. Naturalmente, a cada repetição, o sinal sofre retardo, 
causadopela eletrônica envolvida na reconstituição do sinal. Como o Modo A 
busca manter a latência baixa, haverá um limite máximo de repetições aceitáveis 
no sinal. Dependendo da técnica de modulação e tipo de canal, esse número 
máximo se altera. O número máximo, entretanto, não ultrapassa 32. A taxa de 
 
 
15 
transmissão, neste modo, pode chegar a 1 Mbps tanto em UL quanto DL, com 
latência máxima em torno de 15ms. 
Toda vez que um objeto se conecta com a estação base, a primeira 
tentativa será colocar o objeto em Modo A. 
4.3 LTE-M Modo B 
O Modo B é usado sempre que um objeto se conecta a uma estação base 
em áreas de sinal muito fraco ou quando a rede é estendida por mais de 32 
repetições (neste caso o número de repetições, em casos extremos, pode chegar 
a 2048). A conexão no Modo B assemelha-se a conexão realizada pelo padrão 
NB IoT, embora o LTE- M Modo B permita um alcance ainda maior que a versão 
anterior. A taxa de transmissão mesmo neste modo pode superar os 300 kbps e 
a latência estará na casa dos segundos. 
TEMA 5 – SIGFOX 
O padrão de rede Sigfox é tipicamente uma rede não privativa operando 
em espectro não licenciado. A faixa de frequências é também UHF baixo e com 
banda espectral extremamente estreita, em torno de 100 Hz. Os equipamentos 
terminais são de baixo custo e o desempenho da rede para baixas taxas de 
transmissão é bastante aceitável. 
A topologia básica é PTM e a estação base é operada pela empresa 
francesa Sigfox, que comercializa o serviço de rede através de parcerias locais 
em cada país, cobrindo todas as camadas de protocolo, inclusive de aplicação, 
caso o cliente assim o contrate. A expressão em inglês que caracteriza este 
negócio é NaaS (Network as a Service), ou rede como serviço. Dessa forma, 
utilizar a tecnologia depende de cobertura disponibilizada pela operadora na 
região de interesse. De fato, a tecnologia Sigfox foi desenvolvida pela operadora 
em 2009 em um projeto audacioso de prover conectividade IoT mundial. Vamos, 
em seguida, conhecer um pouco do negócio Sigfox do ponto de vista técnico. 
5.1 Topologia 
A topologia da rede Sigfox em nada difere do que se espera de uma 
LPWAN. Neste caso, por ser operada por um ente externo à rede do cliente, uma 
 
 
16 
LPWAN não privada e não licenciada, uma vez que ocupa espectro ISM sub GHz 
não licenciado. A figura abaixo ilustra a topologia genérica deste tipo de rede. 
Figura 4 – Topologia LPWAN 
 
Fonte: Garcia; Kleinschmidt, 2017. 
Como se observa, trata-se de comunicação PTM gerenciada por uma 
estação rádio base, neste caso denominada gateway de rádio. A comunicação 
entre dispositivos (End-Devices) e os gateways proprietários da Sigfox se dá em 
taxas de transmissão extra baixa e em intervalos de tempo determinados. 
A contratação de um serviço Sigfox normalmente não é feita pelo usuário 
final, mas através de um integrador que gerencia o middleware em parceria com 
a operadora do sistema. Na camada de aplicação, o integrador normalmente 
gerencia o serviço de forma independente ou entrega para uma terceira empresa 
de serviços. Um exemplo dessa cadeia de serviço está no atendimento a 
sistemas de segurança predial. Sensores e atuadores equipados com interface 
Sigfox são conectados, via integrador, com uma aplicação gerenciada pela 
empresa que presta o serviço de segurança para os condôminos. Semelhante 
serviço pode ser oferecido para uma residência individual. Uma vez obtidos os 
dados dos sensores, a integradora os disponibilizará para uma aplicação 
 
 
17 
desenvolvida por uma prestadora de serviços, que, por sua vez, os tratará em 
uma aplicação cujo acesso será remunerado pelos usuários. 
Figura 5 – Utilização da topologia LPWAN para domótica 
 
Créditos: ProStockStudio/Shutterstock. 
5.2. Tecnologia Sigfox 
Sigfox é uma tecnologia focada em taxas de transferência de dados 
bastante baixas e bom alcance, tipicamente maior que algumas dezenas de km. 
A chave para este alcance é o uso da modulação BPSK modificada, dita BPSK 
diferencial ou D-BPSK, de fácil implementação. Os dados transitam em um canal 
de banda fixa de 100 Hz e em uma velocidade de 600 bps. A Sigfox divide o 
globo em sete regiões geográficas, ditas RC (Radio Configuration Zone). Para 
cada região, os rádios operarão em frequências distintas, como se vê na figura 
abaixo. As RCs são as seguintes: RC1 cobrindo Europa, colônias francesas, 
Oriente Médio e África; RC2 atendendo Brasil, Canadá, México, Porto Rico e 
EUA; RC3 para Japão; RC4 para América Latina (exceto Brasil) e Ásia; RC5 
para Coreia; RC6 para Índia; e RC7 para Rússia. 
Figura 6 – Frequências Sigfox 
 
Créditos: Sigfox, 2022. 
 
 
18 
Como se observa na figura, há três protocolos possíveis para transmissão 
de um dispositivo Sigfox, cada modo de operação dependerá da RC em que o 
dispositivo está instalado. Na RC2, região do Brasil, a transmissão se dá por 
“frequency hopping”, ou seja, o dispositivo transmite a mesma mensagem em 
canais diferentes. O padrão Sigfox utiliza três ULs iguais em três canais 
diferentes. A transmissão se dá em 400 milissegundos em cada canal. Após a 
transmissão em um canal, o end-device aguardará 20 segundos em silêncio. 
O espectro de operação é dividido em 400 canais de comunicação entre 
end-devices e gateways, como se vê na figura abaixo, para o espectro reservado 
na União Europeia. Os end-devices utilizam estes canais de maneira aleatória. 
Figura 7 – Canais Sigfox 
 
Fonte: Lavric et al., 2019. 
No Brasil, o site da WND (. Acesso em: 21 fev. 
2022), parceira local da Sigfox, informa qual a frequência e tamanho esperado 
de pacotes. Por exemplo, para um usuário de alta utilização do serviço, se 
esperam no máximo 140 mensagens de UL por dia, ou seja, uma a cada dez 
minutos no máximo, com tamanho padrão de 12 bytes cada. 
De forma similar a outras técnicas de modulação por espalhamento, a 
discriminação dos receptores de rádio nos gateways é bastante baixa, ou seja, 
mesmo sinais provenientes dos dispositivos muito próximos ao nível de ruído 
conseguem ser decodificados. Esta resiliência da camada física tem por reflexo 
um custo baixo na eletrônica que equipa os end-devices. 
5.3. 0G Network 
A 0G (zero G) é uma associação internacional de operadores Sigfox que 
permite aos usuários Sigfox interoperabilidade mundial. Uma vez que a Sigfox 
depende em cada geografia de um parceiro de negócios, a 0G faria o papel de 
congregar as geografias, de forma a permitir uma rede mundial de sensores. 
 
 
19 
O site da associação (. Acesso em: 
21 fev. 2022) possui informações interessantes sobre a tecnologia e 
principalmente apresenta casos de sucesso no uso desta tecnologia. 
FINALIZANDO 
Nesta aula, concluímos nosso aprendizado sobre redes Wi-Fi aplicadas 
ao atendimento de objetos IoT. Em seguida, visitamos alguns conceitos 
interessantes sobre LPWANs, as quais teriam sido criadas para suportar as 
redes de sensores e atuadores. Por tal motivo, melhor se prestam ao 
atendimento de objetos IoT do que as redes 802.11. Estudamos em seguida 
algumas tecnologias criadas pelas operadoras de telefonia e dados celulares 
para estes objetos, além de conhecermos a rede Sigfox igualmente operada por 
terceiros, mas utilizando espectro não licenciado. Há ainda uma solução de 
conectividade, já tradicional, que nos resta estudar. Esta tecnologia, por ter 
surgido logo após os esforços de padronização de tecnologias para redes 
atípicas do IEEE, se tornou bastante popular, embora se embase em um 
desenvolvimento proprietário da indústria. Vamos conhecê-la em seguida. 
 
 
 
20 
REFERÊNCIAS 
3GPP. The Mobile Broadband Standard. Disponível em: 
. Acesso em: 10 dez. 2021. 
GARCIA, P. S. R.; KLEINSCHMIDT, J. H. Tecnologias emergentes de 
conectividade na IoT: estudo de redes lpwan. In: SIMÓSIOBRASILEIRO DE 
TELECOMUNICAÇÕES E PROCESSAMENTO DE SINAIS-SBRT, 25, 2017. 
LAVRIC, A.; PETRARIU, A. I.; POPA, V. Long range sigfox communication 
protocol scalability analysis under large-scale, high-density conditions. IEEE 
Access, v. 7, p. 35816-35825, 2019. 
PRANDO, L. R. et al. Experimental performance comparison of emerging low 
power wide area networking (LPWAN) technologies for IoT. In: IEEE World 
Forum on Internet of Things (WF-IoT), 5, 2019. 
SCHLIENZ, J.; RADDINO, D. Narrowband internet of things whitepaper. White 
Paper, Rohde&Schwarz, p. 1-42, 2016. Disponível em: . Acesso em: 10 dez. 2021. 
SIGFOX. Network Services and Informations. Disponível em: 
. 
Acesso em: 10 jan. 2022. 
ZTEC Company. Wi-Fi 6 Technology and Evolution White Paper. Disponível 
em: . Acesso 
em: 19 dez. 2021.