Segurança em redes LoRaWAN: Autenticação de dispositivos (Join Procedure)

Dispositivos IoT estão sendo cada vez mais utilizados no contexto corporativo, coletivo e doméstico, com aplicações em logística, agricultura, indústria de manufatura, smart cities, smart devices, entre outros. Neste contexto, diversos protocolos de comunicação foram desenvolvidos para suprir a necessidade de comunicação sem fio, levando em consideração as características físicas, limitações computacionais, de armazenamento e memória presentes em dispositivos IoT. Entre os protocolos que permitem o desenvolvimento de redes LPWAN, destaca-se o LoRaWAN, desenvolvido e mantido pela LoRa Alliance a partir de 2015. Sua versão 1.1, de 2017, corrigiu diversos problemas de segurança encontrados na primeira versão da especificação. O objetivo deste artigo é detalhar os mecanismos de autenticação em redes LoRaWAN, especialmente na versão 1.1, explicando como eles aumentam a segurança da comunicação entre dispositivos IoT e mitigam diversos tipos de ataques.

Diogo Henrique Dantas Moraes; Matheus Jacon Pereira e Fabrício Gonçalves Torres, pesquisadores do IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo

Existem diversas tecnologias de comunicação utilizadas em dispositivos de IoT – Internet das coisas, cada uma adequada a determinado contexto. Na comunicação de curto alcance, podemos destacar o Bluetooth Low Energy e o ZigBee. Já em redes onde é necessária a cobertura de uma grande área, as tecnologias conhecidas como LPWAN – Low Power Wide Area Network permitem comunicações de longo alcance com baixo consumo de energia, de modo que dispositivos com recursos limitados podem se comunicar a até 12 km em regiões abertas usando baterias por até 10 anos sem fonte de alimentação externa (Butun, Pereira & Gidlund, 2018).

Entre as tecnologias LPWAN utilizadas para a comunicação em redes que apresentam baixa taxa de transmissão de dados, destaca-se a LoRaWAN – Long Range Wide Area Network. Baseada no protocolo de camada física LoRa – Long Range, as redes LoRaWAN organizam os dispositivos participantes por meio de uma topologia estrela de estrelas, que permite que os dispositivos finais alcancem seu gateway correspondente por meio de um link direto (Sanchez-Iborra et al., 2018). Esse arranjo permite a distribuição de muitos dispositivos finais que se comunicam com um gateway e, deste, com os servidores de rede (NS – Network Servers), servidores de aplicação (AS – Application Servers) e servidores de junção (JS – Join Servers). A figura 1 descreve a arquitetura LoRaWAN v1.1.

O objetivo deste artigo é detalhar os mecanismos de autenticação em redes LoRaWAN, com foco na versão 1.1 do protocolo. Pretendemos explicar como esses mecanismos contribuem para a segurança da comunicação entre dispositivos IoT, destacando os processos envolvidos no Join Procedure. Além disso, buscamos evidenciar as melhorias de segurança implementadas na versão 1.1 do LoRaWAN e como elas mitigam diversos tipos de ataques, proporcionando uma comunicação mais segura e confiável em aplicações IoT.

 

Segurança em LoRaWAN

 

A LoRa Alliance, responsável pelo desenvolvimento das especificações LoRaWAN, dedica muita atenção ao problema de segurança desde as primeiras versões do protocolo. Uma grande melhoria em termos de segurança foi feita com a versão LoRaWAN v1.1, onde vários mecanismos de prevenção contra ataques foram implementados, chaves de segurança foram adicionadas (Loukil et al., 2022), e a arquitetura foi reformulada com a adição do JS. No entanto, as redes LoRaWAN v1.1 ainda são suscetíveis a diversos tipos de ataque, como ataques de Jamming, Network Flooding, Replay, Man In The Middle (MITM), análise de tráfego e de sincronização (Butun, Pereira & Gidlund, 2018).

A autenticação dos dispositivos finais à rede é um procedimento crucial para o estabelecimento de uma comunicação segura em redes LoRaWAN v1.1. O mecanismo mais seguro envolve a troca de mensagens entre o dispositivo final, o NS e o JS, que verificam a autenticidade. Este procedimento é chamado de Join Procedure.

 

LoRaWAN V1.0 e LoRaWAN V1.1

 

A versão 1.1 do protocolo LoRaWAN lançada em 2017 pela Lora Alliance trouxe mudanças na arquitetura e em aspectos relacionados à segurança das redes LoRaWAN, vale citar o advento do JS, as novas chaves de sessão e a alteração de alguns termos.

O JS assume funções relacionadas ao Join Procedure que na versão 1.0 eram de responsabilidade do NS, sendo capaz de auxiliar no processamento do Join Procedure e na derivação de chaves de sessão (LORA ALLIANCE, 2017).

Em relação as chaves de sessão, na versão 1.1 são derivadas quatro delas (FNwkSIntkey, SNwkSIntKey, AppSKey e NwkSEncKey) no Join Server enquanto na versão 1.0 apenas duas (AppSKey e NwkSKey). Além disso, na versão 1.0 existe apenas uma chave raiz (AppKey) enquanto na versão 1.1 são duas (AppKey e NwkKey).

Também vale citar que o termo AppEUI foi substituído por JoinEUI na versão 1.1 do protocolo e que a chave de rede anteriormente denominada AppKey corresponde a NwkKey em LoRaWAN v1.1.

 

Métodos de autenticação

 

Os dispositivos finais LoRaWAN precisam se conectar à rede por meio da Ativação OTAA – Over-The-Air ou da ABP – Activation by Personalization antes de poderem enviar dados pela rede, métodos descritos na Tabela 1. Nesse processo, são geradas as chaves de sessão que serão usadas para criptografar e calcular o MIC – Message Integrity Code das mensagens trocadas entre os servidores e os dispositivos finais (Naoui, Elhdhili & Saidane, 2018).

 

 

Tab. 1 – Métodos de autenticação

	Descrição	Vantagens	Desvantagens
ABP	Utiliza as mesmas chaves de sessão por toda a vida útil do dispositivo	Implementação simples e de baixo custo	Problemas com armazenamento de chaves e vulnerabilidade a ataques em caso de vazamento
OTAA	Gera novas chaves de sessão para cada comunicação, mediada pelo Join Procedure	Maior segurança nas comunicações	Procedimento mais complexo e possivelmente mais caro

 

 

Join Procedure em LoRaWAN v1.1

 

A autenticação de um dispositivo final em uma rede LoRaWAN começa com o envio de uma solicitação de ingresso para o NS. Se a mensagem for autêntica, o NS encaminha a solicitação para o JS, que verifica a autenticidade, deriva as chaves de sessão e responde ao dispositivo final com as informações necessárias para a derivação dessas chaves. A figura 2 ilustra o fluxo de mensagens, chaves e campos relacionados ao Join Procedure.

Montagem da Join-Request

 

Para iniciar o Join Procedure em uma rede LoRaWAN, o dispositivo final envia uma mensagem de Join-Request, que contém os valores JoinEUI, DevEUI e DevNonce, conforme descrito na tabela 2.

 

 

Tab. 2 – Valores da mensagem Join-Request 

DevEUI	JoinEUI	AppKey	NwkKey
ID único do dispositivo final	ID único do Join Server	Chave raiz privada usada para derivar a chave de sessão de aplicação	Chave raiz privada usada para derivar as chaves de sessão de rede

 

 

As redes LoRaWAN v1.1 utilizam essas duas chaves raiz para garantir a segurança dos dados (LORA ALLIANCE, 2017). O DevNonce é um contador gerado pelo dispositivo final, incrementado a cada Join-Request, e armazenado na memória não volátil para prevenir Replay Attacks. O dispositivo final gera um MIC – Message Integrity Code usando a NwkKey para proteger a integridade do pacote Join-Request (LORA ALLIANCE, 2017). Esta mensagem é assinada, mas não criptografada, já que o dispositivo ainda não possui as chaves de sessão antes de enviá-la ao NS (FEICHTINGER; NAKANO; FUKUSHIMA; KIYOMOTO, 2018).

 

Montagem da Join-Req

 

O NS verifica se o DevNonce presente na Join-Request recebida não foi utilizado anteriormente, valida o MIC e adiciona ao pacote o endereço do dispositivo final na rede além de outros campos relacionados de configuração da rede.

 

Montagem da Join-Accept

 

O JS – Join Server verifica a versão do protocolo LoRaWAN, gera o JoinNonce, adiciona o NetID e deriva quatro chaves de sessão, conforme tabela 3.

 

 

Tab. 3 – Termos e descrições do Join-Accept

Termo	Descrição
JoinNonce	Contador numérico único de 3 bytes, incrementado a cada mensagem de Join-Accept gerada, usado pelo dispositivo final para calcular as mesmas quatro chaves de sessão que o JS
NetID	Identificador da rede.
Chaves de Sessão	Descrição
SNwkSIntKey	Calcula o MIC em mensagens de downlink
FNwkSIntKey	Calcula o MIC em mensagens de uplink
NwkSEncKey	Encripta e desencripta comandos MAC
AppSKey	Encripta e desencripta payloads da camada de aplicação

 

 

As chaves de sessão não são transmitidas pela rede; o dispositivo final as deriva novamente usando as chaves raiz (comuns ao JS e ao dispositivo), o JoinNonce, o JoinEUI e o DevNonce. O JS gera um MIC para garantir a integridade do pacote e encripta os dados usando a NwkKey antes de enviar a resposta (Join Ans) ao Network Server (NS), que então encaminha o pacote (Join Accept) ao dispositivo final (LORA ALLIANCE, 2017).

 

Conclusão do Join-Procedure

 

Ao receber o Join-Accept, o dispositivo final desencripta o pacote, verifica se os valores do MIC e do JoinNonce são adequados e deriva as quatro chaves de sessão. Então, o dispositivo final está registrado na rede, possuindo as quatro chaves de sessão necessárias para a comunicação segura.

 

Conclusão

 

A segurança em redes LoRaWAN é fundamental para garantir a integridade e confiabilidade das comunicações em aplicações IoT. A autenticação robusta dos dispositivos, especialmente através do método OTAA, protege contra diversos tipos de ataques e vulnerabilidades. O constante aprimoramento do protocolo LoRaWAN pela LoRa Alliance demonstra um compromisso contínuo com a segurança e a eficácia das redes LPWAN.

Diogo Henrique Dantas Moraes é graduado em Análise de Sistemas pela Fatec – Faculdade de Tecnologia de Sorocaba e pós-graduado (MTA) em Cibersegurança pelo IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas onde realizou pesquisa relacionada à segurança em redes LoraWAN. Atualmente é assessor de tecnologia no Banco do Brasil. diogo.moraes.537@bb.com.br.

Matheus Jacon Pereira é mestre em Engenharia da Computação – Redes de Computadores pelo IPT e graduado em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, UNESP. Possui publicações acadêmicas nas áreas de RFID, Internet das Coisas, Sistemas Inteligentes de Transporte (ITS), Rede de Computadores e automação. Atuou como professor em cursos de Engenharia de Computação, Engenharia Elétrica e Sistemas de Informação e atualmente é professor no curso de pós-graduação (MTA) em Cibersegurança ministrando disciplinas de Engenharia Reversa e Análise de Malware. Atuou na área de PD em companhias do setor de telecomunicações e é Pesquisador do IPT, trabalhando com pesquisa e desenvolvimento nas áreas de RFID, ITS, Internet das coisas, Redes de Computadores, Governança e Segurança da Informação. Além de liderar projetos de desenvolvimento para Sistemas operacionais Linux e Android, incluindo requisitos de cibersegurança. mjacon@ipt.br.

Fabrício Gonçalves Torres é físico, mestre em Processos Industriais e gerente técnico do Laboratório de Metrologia Elétrica do IPT. Possui mais de 18 anos de experiência em metrologia e realiza auditorias, consultorias e treinamentos na área de qualidade, metrologia e instrumentação. fabrigt@ipt.br; www.linkedin.com/in/fabriciogt.

Referencias:

BUTUN, Ismail; PEREIRA, Nuno; GIDLUND, Mikael. Analysis of LoRaWAN v1.1 security. Proceedings Of The 4Th Acm Mobihoc Workshop On Experiences With The Design And Implementation Of Smart Objects – Smartobjects ’18, [S.L.], p. 1-5, 2018. ACM Press. http://dx.doi.org/10.1145/3213299.3213304.

 

BUTUN, Ismail; PEREIRA, Nuno; GIDLUND, Mikael. Security Risk Analysis of LoRaWAN and Future Directions. Future Internet, [S.L.], v. 11, n. 1, p. 3, 21 dez. 2018. MDPI AG. http://dx.doi.org/10.3390/fi11010003.

 

FEICHTINGER, Kevin; NAKANO, Yuto; FUKUSHIMA Kazuhide; KIOMOTO, Shinsaku. Enhancing the security of over-the-air-activation of LoRaWAN using a hybrid cryptosystem. Int. J. Comput. Sci.Netw. Secur. 18 (2) (2018) 1–9.

 

GAO, Shu-Yang; LI, Xiao-Hong; MA, Mao-De. A Malicious Behavior Awareness and Defense Countermeasure Based on LoRaWAN Protocol. Sensors, [S.L.], v. 19, n. 23, p. 5122, 22 nov. 2019. MDPI AG. http://dx.doi.org/10.3390/s19235122.

 

HAYATI, Nur; RAMLI, Kalamullah; WINDARTA, Susila; SURYANEGARA, Muhammad. A Novel Secure Root Key Updating Scheme for LoRaWANs Based on CTR_AES DRBG 128. Ieee Access, [S.L.], v. 10, p. 18807-18819, 2022. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). http://dx.doi.org/10.1109/access.2022.3150281.

 

KITCHENHAM, B. Procedures for performing systematic reviews. Keele, UK, Keele Univ., v. 33, 08 2004.
LOCATELLI, Pierluigi; SPADACCINO, Pietro; CUOMO, Francesca. Hijacking Downlink Path Selection in LoRaWAN. 2021 Ieee Global Communications Conference (Globecom), [S.L.], p. 1-6, dez. 2021. IEEE. http://dx.doi.org/10.1109/globecom46510.2021.9685973.

 

LOCATELLI, Pierluigi; SPADACCINO, Pietro; CUOMO, Francesca. Ruling Out IoT Devices in LoRaWAN. Ieee Infocom 2022 – Ieee Conference On Computer Communications Workshops (Infocom Wkshps), [S.L.], p. 1-2, 2 maio 2022. IEEE. http://dx.doi.org/10.1109/infocomwkshps54753.2022.9798063.

 

“LoRaWAN v1.0 Specification”LoRa Alliance, Fremont, CA, USA, 2015.

 

“LoRaWAN v1.1 Specification”LoRa Alliance, Fremont, CA, USA, 2017.

LoRa: Tecnologia de radiofrequência para comunicação em longas distâncias

A tecnologia LoRa – Long Range permite a comunicação sem fio de dados a longas distâncias com baixo consumo de energia, alcançando até 15 quilômetros em condições ideais, e variando de 3 km a 4 km em áreas urbanas e até 12 km em áreas rurais. Ideal para aplicações de IoT – Internet das coisas como agricultura de precisão, cidades inteligentes e logística, a LoRa é eficaz na transmissão de mensagens curtas em locais de difícil acesso e em dispositivos alimentados por bateria, que podem operar por longos períodos sem recarga frequente. O protocolo LoRaWAN complementa a LoRa ao padronizar a conectividade e assegurar a interoperabilidade entre dispositivos de diferentes fabricantes, facilitando a implementação de redes de sensores e dispositivos em larga escala. Este artigo apresenta a tecnologia LoRa e introduz o protocolo LoRaWAN.

Diogo Henrique Dantas Moraes; Matheus Jacon Pereira e Fabrício Gonçalves Torres, pesquisadores do IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo

A tecnologia LoRa – Long Range é uma solução de comunicação sem fio projetada para permitir a transmissão de dados a longas distâncias com baixo consumo de energia. Com capacidade para alcançar até 15 quilômetros em condições ideais, a LoRa oferece um alcance significativo mesmo em ambientes urbanos, onde a cobertura costuma variar entre 3 km e 4 km, e em áreas rurais, onde pode superar os 12 km. Essa amplitude de cobertura torna a tecnologia ideal para uma variedade de aplicações no campo da IoT – Internet das coisas. Entre as principais aplicações, destacam-se a agricultura de precisão, onde sensores de umidade do solo e temperatura ajudam a otimizar o uso de água e insumos; cidades inteligentes, com monitoramento de qualidade do ar, iluminação pública e gerenciamento de resíduos; e logística, através do rastreamento de ativos e controle de condições ambientais em tempo real.

Em linhas gerais LoRa é eficaz em cenários que requerem a transmissão de mensagens curtas em locais de difícil acesso, como sensores e monitores remotos, além de dispositivos alimentados por bateria. Esses dispositivos podem funcionar por longos períodos sem a necessidade de recarga frequente, graças ao baixo consumo energético da tecnologia.

O protocolo LoRaWAN – Long Range Wide Area Network complementa a tecnologia LoRa ao definir a arquitetura do sistema e os parâmetros de comunicação necessários. Este protocolo padroniza a conectividade, assegurando uma interoperabilidade robusta entre dispositivos de diferentes fabricantes e facilitando a implementação de redes de sensores e dispositivos IoT em grande escala. A figura 1 apresenta o layout padrão das soluções que utilizam LoRAWan.

A tecnologia LoRa

 

LoRa é uma tecnologia LPWAN, sua arquitetura envolve a camada física, reponsável pela modulação, e a camada Media Access Control (MAC) controlada pelo protocolo LoRaWAN. A figura 2 descreve a arquitetura das redes LoRa.

LoRa se baseia na técnica de modulação de espectro CCS – Chirp Spread Spectrum e apresenta como principais parâmetros o Spread Factor, Coding Rate e Bandwidth (SANCHEZ-IBORRA et al., 2018).

O Spread Factor regula a relação inversa entre a sensibilidade do equipamento receptor e a taxa de dados transmitidos. Coding Rate se relaciona a codificação de erro acarretando bits a mais na carga útil da camada física das redes. O Bandwidth define a largura de banda; a mais utilizada é 125 kHz sendo que 250 kHz e 500 kHz também são suportadas.

 

O protocolo LoRaWAN

 

LoRaWAN é o protocolo que define a arquitetura do sistema e os parâmetros de comunicação utilizados para a transmissão de dados baseados em LoRa. As redes LoRaWAN apresentam a topologia estrelas de estrelas, os gateways são responsáveis pela comunicação entre os dispositivos finais e os servidores de rede que encaminham os pacotes de cada dispositivo final para o servidor de aplicação associado a ele.

 

Classes dos dispositivos

 

Os dispositivos finais presentes nas redes LoRaWAN apresentam três classes de dispositivos, conforme apresentado na figura 3.

Dispositivos da classe A, mais comuns, apresentam otimização da bateria chegando a anos de duração (SANCHEZ-IBORRA et al., 2018).

 

LoRaWAN v1.0 e LoRaWAN v1.1

 

A versão 1.0 do LoRaWAN foi a primeira especificação publicada para padronizar a comunicação entre dispositivos LoRa e a infraestrutura de rede. A versão 1.1 do protocolo lançada em 2017 pela Lora Alliance trouxe mudanças na arquitetura e em aspectos relacionados à segurança das redes, vale citar o advento do Servidor de Aplicação, as novas chaves de sessão e a alteração de alguns termos.

O servidor de aplicação assume funções relacionadas ao Join Procedure, que é um processo fundamental no protocolo permitindo a um dispositivo final se associar à rede de maneira segura, através de autenticação e chaves criptográficas. Na versão 1.0 este procedimento era de responsabilidade do servidor de eede, de forma mais limitada (LORA ALLIANCE, 2017).

Diogo Henrique Dantas Moraes é graduado em Análise de Sistemas pela Fatec – Faculdade de Tecnologia de Sorocaba e pós-graduado (MTA) em Cibersegurança pelo IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas onde realizou pesquisa relacionada à segurança em redes LoraWAN. Atualmente é assessor de tecnologia no Banco do Brasil. diogo.moraes.537@bb.com.br.

Matheus Jacon Pereira é mestre em Engenharia da Computação – Redes de Computadores pelo IPT e graduado em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, UNESP. Possui publicações acadêmicas nas áreas de RFID, Internet das Coisas, Sistemas Inteligentes de Transporte (ITS), Rede de Computadores e automação. Atuou como professor em cursos de Engenharia de Computação, Engenharia Elétrica e Sistemas de Informação e atualmente é professor no curso de pós-graduação (MTA) em Cibersegurança ministrando disciplinas de Engenharia Reversa e Análise de Malware. Atuou na área de PD em companhias do setor de telecomunicações e é Pesquisador do IPT, trabalhando com pesquisa e desenvolvimento nas áreas de RFID, ITS, Internet das coisas, Redes de Computadores, Governança e Segurança da Informação. Além de liderar projetos de desenvolvimento para Sistemas operacionais Linux e Android, incluindo requisitos de cibersegurança. mjacon@ipt.br.

Fabrício Gonçalves Torres é físico, mestre em Processos Industriais e gerente técnico do Laboratório de Metrologia Elétrica do IPT. Possui mais de 18 anos de experiência em metrologia e realiza auditorias, consultorias e treinamentos na área de qualidade, metrologia e instrumentação. fabrigt@ipt.br; www.linkedin.com/in/fabriciogt.

Referências:

“LoRaWAN v1.0 Specification”. LoRa Alliance, Fremont, CA, USA, 2015.

“LoRaWAN v1.1 Specification”. LoRa Alliance, Fremont, CA, USA, 2017.

ANTAMARIA, Michael; MARCHIORI, Alan. Demystifying LoRa WAN Security and Capacity. 2019 29Th International Telecommunication Networks And Applications Conference (Itnac), [S.L.], p. 30-35, nov. 2019. IEEE.

BARRIGA, Jhonattan J.; YOO, Sang Guun. Securing End-Node to Gateway Communication in LoRaWAN With a Lightweight Security Protocol. Ieee Access, [S.L.], v. 10, p. 96672-96694, 2022. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). http://dx.doi.org/10.1109/access.2022.3204005.

EMBARCADOS. Conheça a tecnologia LoRa e o protocolo LoRaWAN. Disponível em: https://embarcados.com.br/conheca-tecnologia-lora-e-o-protocolo-lorawan/. Acesso em: 04 jul. 2024.

SANCHEZ-IBORRA, Ramon; SANCHEZ-GOMEZ, Jesus; BALLESTA-VIÑAS, Juan; CANO, Maria-Dolores; SKARMETA, Antonio. Performance Evaluation of LoRa Considering Scenario Conditions. Sensors, [S.L.], v. 18, n. 3, p. 772, 3 mar. 2018. MDPI AG. http://dx.doi.org/10.3390/s18030772.

As diferentes medidas de tempo & frequência e suas aplicações

A medida de tempo & frequência é fundamental para garantir a qualidade e a eficiência de transmissões de dados em sistemas de telecomunicações. Ela é usada para garantir a sincronização adequada entre os dispositivos de transmissão e recepção, permitindo a transmissão e recepção de dados de forma confiável e eficaz. A medida de intervalo de tempo, período e frequência são as principais grandezas utilizadas nesta área. Embora tempo e frequência estejam intrinsecamente ligados, é importante salientar que há algumas diferenças no que diz respeito a estas grandezas, influenciando na aplicação e no método de medição. Este artigo apresenta as aplicações de cada grandeza e os equipamentos mais utilizados para realizar suas medidas.

Fabrício Gonçalves Torres e Diogo Cesar Borges Silva, pesquisadores do IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo 

As medidas de tempo & frequência são utilizadas para garantir que a transmissão de dados entre os elementos de uma rede ocorra de forma correta. Em sistemas de transmissão de alta velocidade, onde um atraso mínimo na transmissão pode levar a erros e perda de informações, essa caracterização é especialmente importante.

Embora tempo & frequência sejam grandezas intrinsecamente relacionadas, é importante salientar algumas diferenças no que diz respeito a estas grandezas que influenciam diretamente a aplicação e o método de medição de cada uma.

De forma abrangente, podemos dividir as medidas de tempo & frequência em “Medidas de intervalo de tempo”, “Medidas de período”, “Medidas de frequência” e “Medidas de escala de tempo”, descritas a seguir.

 

Intervalo de tempo

 

Intervalo de tempo é o tempo decorrido entre dois eventos definidos, não necessariamente periódicos.

Este tipo de medição é necessário em casos diversos e bem rotineiros, tal como o tempo de cozimento de um bolo no forno, por exemplo. Em sistemas de telecomunicações, a medida de intervalo de tempo ocorre em diversas ocasiões também, como na medida de largura de pulso de um bit, presente em um sinal digital, com a intenção de avaliar se a transmissão digital está dentro dos padrões de referência, ou para a transmissão de informação via PWM – Pulse Width Modulation.

A medida de intervalo de tempo pode ser realizada a partir de diversos tipos de equipamentos. O cronômetro, por exemplo, é um equipamento bastante usado, porém, indicado apenas para medidas acima de 1 segundo. O tempo de reação humana para iniciar e parar a contagem, além das limitações mecânicas construtivas do equipamento, tornam a medida inexata para intervalos de tempo pequenos.

Para a mesma função, um equipamento com melhor capacidade de medição é o contador universal. Com este equipamento, é possível efetuar medidas de, praticamente, qualquer tipo de intervalo de tempo, principalmente, por meio do uso de dois canais que, usualmente, os contadores mais modernos possuem. Inclusive, por terem maior exatidão, os contadores universais são bastante usados na calibração de cronômetro (figura 1).

Período

Período é um tipo especial de medida de intervalo de tempo. Ele indica o tempo transcorrido entre dois eventos definidos em um sinal periódico, onde estes eventos ocorrem sempre em intervalos de tempo regulares, por exemplo, o tempo entre os dois pontos de máxima amplitude em um sinal senoidal.

O osciloscópio (figura 2) é um equipamento bastante utilizado para medidas de período. Ele apresenta o sinal no domínio do tempo, tornando o processo de medição mais rápido a partir da retícula na tela ou pelos cursores, embora, osciloscópios mais modernos apresentem medidas automáticas possibilitando, inclusive, a conversão para outras unidades de medidas.

Frequência

Frequência é medida da quantidade de eventos periódicos ocorrida em uma dada unidade de tempo, usualmente, em Hertz (Hz). Por exemplo, dizer que as redes de alimentação possuem frequência de 60 Hz, significa dizer que a senóide do sinal elétrico se repete 60 vezes a cada 1 segundo.

A medida de frequência é necessária em diversas aplicações. Em sistemas de comunicação sem fio, a medida de frequência é crucial para garantir que os sinais sejam transmitidos sem que haja interferência, já que o espectro eletromagnético é escasso.

Também é a partir da frequência, que se obtém a taxa de transmissão em sistemas digitais, usualmente, dada em bits por segundo.

Embora frequência e período estejam intimamente ligados, podendo causar a impressão de que ambas as medidas possuem a mesma importância, dependendo da aplicação, elas podem oferecer ganhos diferentes no diagnóstico de um sinal, já que informações diferentes podem ser obtidas no domínio do tempo ou no domínio da frequência.

Medidas de jitter, por exemplo, que é a medida de variações aleatórias no intervalo de tempo entre chegadas de pacotes de dados digitais, são usualmente obtidas por meio de osciloscópios no domínio do tempo. Por outro lado, analisadores de espectro (figura 3) são ideais para medidas de distorção harmônica, facilmente obtidas no domínio da frequência.

Escala de tempo

A escala de tempo é também um tipo de medida de intervalo de tempo, porém, é baseada em fenômenos astronômicos, tal como no movimento da Terra em torno de seu eixo.

Tempo universal, por exemplo, é uma escala de tempo que é definido como o tempo médio solar no meridiano de Greenwich, e é frequentemente expresso em horas, minutos e segundos. O tempo universal é calculado com base na rotação da Terra em torno de seu eixo e é ajustado periodicamente para levar em conta as irregularidades na velocidade de rotação da Terra. Existem várias versões do tempo universal, incluindo o UT0, UT1 e UT2, que diferem na forma como são calculados.

O tempo universal é uma referência importante para a astronomia e outras áreas da ciência que dependem de medidas precisas de tempo. No entanto, ele é menos usado em aplicações cotidianas do que outras escalas de tempo, como o UTC – Tempo Universal Coordenado, que é usada como referência para coordenar os relógios do mundo todo.

O UTC é obtido a partir do tempo medido pelos relógios atômicos, e é ajustado periodicamente para manter uma diferença constante em relação ao UT – Tempo Universal. Para manter essa diferença constante, são adicionados segundos bissextos ao UTC periodicamente.

Atualmente, o UTC é propagado pela Internet por meio de uma rede de servidores de tempo distribuídos globalmente, conhecida como NTP – Network Time Protocol. Os servidores NTP sincronizam seus relógios com fontes precisas de tempo, como os relógios atômicos mantidos pelo Escritório Internacional de Pesos e Medidas (em francês: BIPM – Bureau international des poids et mesures) e, em seguida, fornecem o tempo preciso para outros dispositivos em toda a rede.

Os dispositivos clientes, como computadores e smartphones, podem sincronizar seus relógios com os servidores NTP, permitindo que eles mantenham a hora correta. Essa sincronização precisa do tempo é essencial para muitos sistemas e aplicativos do mundo globalizado de hoje em dia, incluindo sistemas de comunicação, transações financeiras, operações de infraestrutura crítica e muito mais.

Fabrício Gonçalves Torres é físico, mestre em Processos Industriais e responsável pela área de Alta Frequência e Telecomunicações do Laboratório de Metrologia Elétrica do IPT. Possui mais de 17 anos de experiência em metrologia e realiza auditorias, consultorias e treinamentos na área de qualidade, metrologia e instrumentação.
fabrigt@ipt.br
https://www.linkedin.com/in/fabr%C3%ADcio-t-5512a877

 

Diogo Cesar Borges Silva é pesquisador no Laboratório de Metrologia Elétrica do IPT. Possui mais de 15 anos de experiência em metrologia e realiza auditorias, consultorias e treinamentos na área de metrologia e instrumentação.
diogoc@ipt.br

Tudo o que você ainda precisa saber sobre o 5G no Brasil – mas ninguém contou

Prof.ª e Dra. Alessandra Montini

Brasília será a primeira capital do país com serviço 5G

Redação, Infra News Telecom

  O Gaispi – Grupo de Acompanhamento da Implantação das Soluções para os Problemas de Interferência na faixa de 3.625 a 3.700 MHz aprovou a antecipação da liberação do uso da faixa de radiofrequências de 3,3 a 3,7 MHz no Distrito Federal para amanhã (6/7). Brasília será a primeira capital do País a disponibilizar o 5G standalone.

  O Grupo também aprovou a criação de uma “Sala de Guerra”, visando dar mais celeridade e dinamicidade aos procedimentos, para imediatas soluções cautelares em caso de interferências prejudiciais.

  A EAF – Entidade Administradora da Faixa informou que no Distrito Federal há uma demanda estimada de 3.341 TVROs (antenas parabólicas). A troca de antenas é necessária para que moradores que possuem parabólicas não percam o sinal da TV aberta com a chegada do 5G.

  Inscritos no CadÚnico – Cadastro Único do Governo Federal receberão a antena sem custo. A capacidade de instalação da “Siga Antenado” (nome fantasia da EAF) é de 220 equipamentos por dia, sendo necessário realizar o agendamento pelo site da Entidade.

 

TIM vai ativar 100 antenas na Capital Federal

 

  A TIM lança comercialmente sua rede 5G SA – standalone em Brasília amanhã (6/7). O início da operação já conta com a ativação de 100 antenas (o que equivale a mais de 2,5 vezes o mínimo regulatório inicial exigido pelas normas do Leilão do 5G) e alcança 50% da população da Capital Federal. Nos próximos 60 dias serão ativadas outras 64 antenas na região, alcançando 65% de população coberta.

  “Temos muito orgulho do protagonismo da TIM. Desde 2019 estamos trabalhando para o 5G, com a criação dos primeiros laboratórios de quinta geração no país e realização de diversos pilotos. Agora, entregamos a primeira rede comercial standalone”, diz o CEO da companhia, Alberto Griselli, acrescentando que, em breve, o 5G da TIM chegará às demais capitais, de acordo com cronograma da Anatel.

  O serviço estará disponível nas principais regiões do Distrito Federal como Águas Claras, Asa Norte, Asa Sul, Ceilândia, Cruzeiro, Gama, Guará, Lago Norte, Lago Sul, Noroeste, Recanto das Emas, Samambaia, Santa Maria, Setor de Indústria e Abastecimento, Taguatinga e Vicente Pires. Em breve, a nova rede chegará às demais áreas da Capital Federal.

  A adesão ao novo pacote nos primeiros três meses após o lançamento garante gratuidade pelo período de 12 meses. Após esse período, ele custará R$ 20 mensais. Não é necessário trocar o chip. O cliente precisa apenas ter um smartphone compatível com a nova tecnologia. O usuário poderá ativar o serviço em todos os canais de atendimento da operadora, incluindo lojas, app e central de atendimento.

NTT e Docomo realizam testes 6G em parceria com NEC, Nokia e Fujitsu

Redação, Infra News Telecom

  A NTT e a sua subsidiária focada em telecomunicações, Docomo, anunciaram uma parceria com os fornecedores de tecnologia móvel Fujitsu, NEC e Nokia para realizar testes experimentais de 6G. Os trials vão servir de base para o lançamento comercial do serviço planejado para 2030.

  O projeto vai estudar novas tecnologias móveis, incluindo o uso de frequências nas bandas milimétricas e sub-terahertz, além das bandas para serviços 5G existentes. Os testes também devem verificar os métodos de transmissão sem fio baseados em IA – inteligência artificial.

  Basicamente, a NEC e a Fujitsu irão trabalhar com a NTT e a Docomo em experiências com tecnologia distribuída MIMO – Multi Input Multi Outout. Já o foco de estudo da Nokia será o desenvolvimento de uma interface de rede com inteligência artificial nativa, além do uso de radiofrequências “sub-THz”, nas faixas de 90 a 300 MHz, e ondas milimétricas de 6 a 24 GHz.

  Segundo Naoki Tani, vice-presidente executivo e diretor de tecnologia da Docomo, os ensaios 6G estão progredindo dois ou três anos à frente do 5G. “A partir deste estágio inicial, gostaríamos de colaborar com fornecedores globais líderes para demonstrar proativamente avanços conceitos e tecnologias e promovê-los para o mundo.”

  A Docomo e a NTT começarão a realizar testes internos no ano fiscal que termina em março de 2023, e os testes externos começarão no ano fiscal seguinte. Espera-se que os testes verifiquem os conceitos propostos até agora pelas empresas. Eles serão relatados em grupos globais de pesquisa, conferências internacionais e atividades de padronização relacionadas ao 6G, e servirão de base para tecnologias mais avançadas.

  Por meio de seus testes de 6G com os três fornecedores, bem como outros parceiros, a Docomo e a NTT esperam acelerar a padronização global e a comercialização de 6G.

Unifique tem receita líquida de R$ 458 milhões em 2021

Redação, Infra News Telecom

  A Unifique, operadora de telecomunicações catarinense, encerrou 2021 com receita liquida de R$ 458 milhões, um aumento de 81% em comparação com o ano anterior. No ano passado, a empresa atingiu a marca de 477 mil acessos, um crescimento de 68% se comparado com 2020. A maior parte desse resultado é fruto do crescimento não orgânico com as 10 aquisições realizadas no período. Outro destaque no ano foi a aquisição da faixa de frequência 3.5 MHz no Leilão 5G, nos estados de Santa Catarina e Rio Grande do Sul.

  A receita bruta da Unifique em 2021 totalizou R$ 603 milhões, um crescimento de 52,5% se comparado ao ano anterior (R$ 396 milhões). O Ebitda registrou aumento de 62,1%, alcançando R$ 226 milhões. O lucro líquido da empresa, de R$ 80,5 milhões, teve um aumento de 59,6%, em comparação ao exercício de 2020.

  “O ano de 2021 foi um divisor de águas na história da Unifique. O primeiro semestre foi marcado por um forte crescimento orgânico e o ingresso da companhia no mercado de capitais” afirma o diretor financeiro e de relações com investidores, José Wilson de Souza Junior. A partir do IPO, realizado em julho do ano passado, a empresa reforçou sua governança corporativa com a reestruturação da diretoria financeira e de relações com investidores e a estruturação de um conselho de administração com maioria independente e membros com notável conhecimento de mercado.

  O segundo semestre do ano passado também foi positivo. Em novembro, a operadora venceu o leilão de frequência 5G nos estados de Santa Catarina e Rio Grande do Sul. O leilão não-arrecadatório, e com obrigatoriedade de investimentos em cidades menores – 670 cidades nos dois estados, foi complementar ao plano de negócios da companhia.

  Com a concessão da faixa de 3.5 MHz, a Unifique pretende oferecer novos serviços como a Internet banda larga sem fio FWA, produtos e serviços de valor agregado utilizando IoT – Internet das coisas, e soluções de telefonia móvel com operação própria ou em parceria com outros operadores.

  No ano passado, a operadora também adquiriu 10 operadoras na região Sul, nos estados de Santa Catarina e do Rio Grande do Sul (Neofibra, Zappen, BKtech, Fibramaxx, Naja, TKNet, MKS, SSTV, Click e Guaíba). Somente no Rio Grande do Sul, foram três aquisições que agregaram mais de 70 mil novos clientes.

  No início de 2022, a Unifique deu seguimento a sua estratégia de consolidação ao adquirir a Mosaico, em Santa Catarina, e a Sygo, no Rio Grande do Sul, totalizando 12 empresas nos últimos 12 meses. Com a aquisição da Sygo, o Rio Grande do Sul soma aproximadamente 150 mil acessos de banda larga com a marca Unifique.

  Presente em cerca de 150 municípios nos três estados do Sul, a Unifique oferece serviços de acesso à Internet, telefonia móvel e fixa, TVHD e data center para uma carteira de mais de 500 mil clientes, residenciais e corporativos.  Fundada em 1997, em Timbó, SC, a empresa abriu capital na bolsa de valores em junho de 2021.

Baicells promove webinar gratuito sobre 5G

Redação, Infra News Telecom

  Na próxima quinta-feira (3/2), às 10h, a Baicells Technologies, empresa global que fornece soluções de acesso 4G LTE e 5G, vai promover o webinar “Novas oportunidades para ISPs e integradores após o leilão de frequências 4G/5G”.

  Gratuito, o evento será comandado por Ricardo Pence, vice-presidente de vendas EuroAmerica da Baicells, que abordará as frequências disponíveis para o desenvolvimento de operações móveis e fixas no Brasil nas operadoras regionais; modelos de negócios com detalhes das opções de um ISP para os próximos 10 anos (analisadas uma a uma); e a solução da companhia “4G/5G Ready”, compatível com o padrão OpenRAN. “Nossa mensagem é muito clara: o leilão do 5G trouxe um novo mapa das telecomunicações no país e a ideia é detalhar este novo cenário e como os provedores regionais e integradores de soluções podem tirar vantagem das novas regras estabelecidas”, acrescenta Pence.

  O público-alvo do webinar são os ISPs, operadoras de telecom e integradores de soluções. As inscrições podem ser feitas pelo link https://baicellsleuroamerica.clickmeeting.com/333896943/register.

5G trilha o caminho para o futuro da fibra óptica

Só com uma infraestrutura de fibra óptica de alta qualidade será possível diminuir a latência aos níveis ideais exigidos pelo 5G. Portanto, a demanda de investimento direto nas redes ópticas será muito grande.

Hermano Albuquerque, diretor geral LATAM para o Grupo Halo/Skylane

  Com alta capacidade de transmissão de dados, o 5G promete uma guinada tecnológica nos próximos anos, permitindo a expansão de dispositivos e soluções que exigem mais conectividade. Mas para que o 5G ofereça a qualidade que proporcione tal avanço é necessário investir em uma rede de fibra óptica com backbones e backhauls prontos para transmitir os dados de maneira otimizada e com alta performance.

  Até porque a mágica do 5G, que possibilita a conectividade machine to machine, exige uma baixa latência e para isso precisamos de data centers e nano data centers mais próximos das torres de transmissão. Só com uma rede de fibra óptica de alta qualidade é possível diminuir a latência aos níveis ideais. Portanto, a demanda de investimento direto nas redes de fibra óptica, que são o alicerce da infraestrutura para o 5G, será muito grande, começando pela melhoria nas redes já existentes, visto que muitas ainda não estão adequadas.

  Os investimentos de contrapartida feitos no leilão do 5G foram de mais de R$ 48 bilhões, dos quais estima-se que R$ 40 bilhões serão investidos em infraestrutura de rede nos próximos anos para uma melhoria de conectividade como um todo no país. Segundo o Gartner, a previsão de receita global referente ao investimento em infraestrutura de rede para o 5G é de R$ 130 bilhões em 2022.

  Além da infraestrutura de fibra óptica, a quinta geração exigirá um número muito maior de torres de transmissão, quando comparado ao 4G, por isso a priorização de implantação será por municípios que já estejam com a lei das antenas adequada. Essa necessidade por infraestrutura é explicada pela frequência que iremos utilizar no 5G.

 

Frequência x infraestrutura

 

  À medida que a tecnologia foi evoluindo e exigindo mais capacidade de banda, a frequência utilizada na conectividade e troca de dados foi aumentando. No início das conexões móveis, quando ainda usávamos o CDMA, as frequências eram bem mais baixas, variando de 900 MHz a 1.5 GHz. Já no 5G temos o 3.5 GHz como principal faixa de frequência e demais faixas que variam de 700 MHz até 26 GHz.

  As faixas mais elevadas têm uma eficiência espectral muito maior, dessa forma conseguimos transmitir mais dados em um espaço de banda de frequência menor, por isso a capacidade do 5G é tão superior ao GPRS, 3G, 4G e demais gerações. Apesar de conseguirmos transmitir mais dados com a eficiência espectral maior, a capacidade de cobertura em frequências mais altas acaba sendo menor, exigindo mais infraestrutura de rede.

  Um exemplo simples são as rádios AM e FM; por estarem em uma frequência mais baixa, uma única torre consegue alcançar a cidade inteira. Quando a frequência é muito baixa é necessária uma potência maior para atingir uma grande região de cobertura. Quando aumentamos a frequência, utilizamos menor potência, atingindo uma menor cobertura com grande capacidade de transmissão de dados.

  Por conta da necessidade de uma transmissão mais curta surge a demanda por microcélulas com mais capacidade, principalmente em grandes cidades que possuem muitos prédios. No 5G temos um número maior de microcélulas conectadas entre elas por meio de fibra óptica.

 

Novas oportunidades

 

  A necessidade de infraestrutura para implementação e funcionamento do 5G traz oportunidades para fornecedores e para os provedores de Internet que estiverem com suas redes prontas para receber a tecnologia.

  Segundo a pesquisa TIC Provedores divulgada no ano passado com dados de 2020, 90% dos cerca de 13 mil provedores de Internet no Brasil fornecem Internet banda larga por fibra óptica, portanto há uma grande possibilidade de parceria entre esses provedores e as operadoras para utilizar as infraestruturas já existentes e que estejam adequadas para a implementação da quinta geração.

 

Futuro da conectividade

 

  A evolução tecnológica acompanha a demanda por conectividade. Quanto mais capacidade disponível, mais possibilidade de implementar novas soluções tecnológicas existentes e a expectativa é que o 5G fomente essa evolução. Muitas tecnologias devem ser expandidas com o aumento da capacidade de banda móvel, coisas simples como um tag em objetos, que permite que os encontremos por meio de aplicativos. Não sabe onde está aquela chave? É só buscar pelo celular.

  A Internet das coisas e a análise de dados vão ser uma realidade mais fácil com o 5G. A casa inteligente, apesar de existente, ainda é pouca difundida. Mas à medida que a tecnologia vai evoluindo, os equipamentos inteligentes vão ficando mais acessíveis e sendo mais difundidos.  Esses dispositivos completamente conectados facilitam a vida dos usuários e fornecem dados de uso e consumo pertinentes aos seus fabricantes.

  Alguns fabricantes de carros já possuem sistemas que geram relatórios sobre como o usuário utiliza o veículo, se há muita mudança de marcha, se há muita aceleração excessiva, etc. Esses dados são importantes para melhorar a fabricação dos produtos e otimizar a eficiência no uso dos veículos. Mas não só isso, quando você sofre um acidente de carro e aciona o airbag, o fabricante do carro entra em contato com você para saber se você está bem e caso você não responda, o socorro é automaticamente acionado.  Todas essas opções são possíveis apenas se houver conectividade altamente eficiente.

  No Brasil, o primeiro benefício que o 5G vai trazer será o rastreamento de cargas, principalmente as cargas com produtos que precisam de algum controle como os medicamentos, alimentos perecíveis etc. Até o monitoramento de carga terá uma melhoria com a possibilidade de fornecer atualizações em tempo real de cada produto em trânsito. Com uma conectividade móvel melhor, será possível rastrear a carga em tempo real, para saber em que horário ela deve chegar na casa do cliente.

  A tendência é que com a conectividade, a tecnologia, o IoT conectado ao 5G se torne mais uma extensão do braço. A difusão de dados (analytics) será pulverizada, deixando de depender apenas de algumas poucas empresas. Mas a grande expectativa é pela facilidade e possíveis soluções que um mundo cada vez mais conectado poderá trazer como as cidades digitais que, por meio da tecnologia, proporcionam uma melhoria coletiva na vida das pessoas.

5G standalone amplia cobertura em 65%

Redação, Infra News Telecom

  A Ericsson, a MediaTek e a TIM concluíram o primeiro teste piloto do Brasil usando a tecnologia carrier aggregation da Ericsson e Mediatek em arquitetura 5G Standalone, com frequências TDD (que avaliam a oscilação do sinal por tempo) e FDD (que avaliam a oscilação por frequência) simultaneamente e com base em numerologias distintas.

  O objetivo do trial foi medir a capacidade de ampliação da cobertura, que chegou a um índice de 65% na banda média. O piloto foi realizado ao longo de todo o mês de julho último na cidade de Itajubá, MG, utilizando a infraestrutura de rede da TIM.

  O teste contou com o uso do chipset Dimensity 1100, da MediaTek, além do rádio 5G AIR 3239 da Ericsson operando em 100 MHz de banda média (3,5GHz) e da feature Ericsson Spectrum Sharing, ativada em 10 MHz na banda de 2600 MHz. Os resultados mostram a possibilidade de cobrir uma área significativamente maior com 100 MHz de banda disponíveis na faixa de 3,5GHz, permitindo agregar e estender a cobertura do 5G 3.5GHz TDD fazendo uso das frequências FDD atuais.

  “Dada a diversidade do espectro disponível, é essencial que agreguemos as diferentes bandas de frequência usando 5G carrier aggregation. Isso é feito para melhorar a cobertura celular e fornecer taxas de pico mais altas. Os resultados que obtivemos nesse teste piloto foram muito relevantes. A possibilidade de ampliar a cobertura da quinta geração de tecnologia móvel é um ponto importante quando se pensa em garantir uma experiência ideal para um usuário 5G, em particular quando a agregação ocorre entre as frequências FDD existentes e as novas frequências 5G em TDD. Além de um ganho expressivo de cobertura, o carrier aggregation traz um ganho de velocidade”, diz Marcos Scheffer, vice-presidente de redes da Ericsson para o Cone Sul da America Latina.

  Segundo Samir Vani, country manager da MediaTek no Brasil, a série de chipsets MediaTek Dimensity 5G , desenvolvidos para equipar smartphones com alta performance (mas com baixo consumo de bateira), permite que um único aparelho seja conectado a duas frequências diferentes de 5G. “A dupla conectividade 5G amplia o sinal e também traz ganhos na velocidade da conexão”, explica o executivo. Segundo ele, a empresa está pronta para suportar a funcionalidade Carrier Aggregation em várias configurações, aprimorando, assim, a experiência do usuário.

  Leonardo Capdeville, CTIO da TIM Brasil, reforça a importância dos pilotos desenvolvidos em rede 5G standalone para a consolidação da tecnologia mesmo antes do leilão de frequências, previsto para o final de 2021. “O 5G irá transformar a experiência de uso principalmente de empresas e segmentos importantes da economia nacional. Os testes de campo nos ajudam a refinar esta entrega e alinhar cada vez mais a expectativa do consumidor com o serviço de excelência que pretendemos entregar.”