5G ou Wi-Fi 802.11ax: Quem vai vencer a batalha?

Tanto o 5G quanto o Wi-Fi possuem características muito particulares que serão benéficas. A operadora que melhor explorar essas tecnologias e definir e executar uma estratégia que aproveite as duas se tornará a campeã. No final, o vencedor será o usuário.

Cees Links, da Qorvo

  Ao mesmo tempo em que a tecnologia e os padrões de comunicação de dados sem fio estão em desenvolvimento, novos padrões e tecnologias proprietárias já desenvolvidas, como a Zigbee, clamam por atenção. Diante de tantas informações, como diferenciar o que é ruído do que é real e importante? Os consumidores devem se preocupar com isso? O panorama atual, mostrado na figura abaixo, traz uma variedade de tecnologias de comunicação sem fio que desempenham algum papel no nosso cotidiano.

  Apesar de todas as invenções de marketing, é relativamente fácil olhar para o panorama atual e entender para onde as coisas estão indo e, como frequentemente é o caso, pode ser útil lembrar onde estamos hoje como chegamos até aqui.

  Existem apenas três pontos primordiais na tecnologia de rádio e que experimentamos em nossas vidas diárias: alcance, taxa de dados e energia.

• Experimentamos o alcance quando o telefone está conectado a uma estação base (ou não), o laptop a um roteador em casa ou ainda quando o fone de ouvido está conectado ao celular. E todos sabemos, por experiência, o que acontece se um dispositivo ficar “fora de alcance”.
• Também estamos bastante familiarizados com a taxa de dados, principalmente quando assistimos a vídeos ou ouvimos música. Até o momento, o Wi-Fi é o rei da taxa de dados. No entanto, já temos condições de receber taxas semelhantes por meio de LTE e 5G, muito embora a um preço maior.
• Finalmente, enquanto nos acostumamos a recarregar regularmente os nossos telefones e laptops, somos lembrados da importância de monitorar o consumo de energia naqueles momentos irritantes, quando descobrimos que os dispositivos não estão carregados.

  Esses três itens se encaixam de modo interessante em uma espécie de lei básica da física. Tente aprimorar um deles, e os outros dois devem ceder ao que foi modernizado. Naturalmente, melhorias gerais foram feitas em todos os três ao longo do tempo, mas a relação entre eles é a mesma.

  Por exemplo, se desejar aumentar a taxa de dados, opta-se por perder o alcance ou aumentar a energia de saída. Atualmente, o Wi-Fi, com suas velocidades mais altas, tem menos alcance do que no passado e precisa de repetidores com mais frequência. Melhorar isso é um dos estímulos para desenvolver o Wi-Fi distribuído ou Wi-Fi mesh. Esse mesmo tipo de relação vale para o Zigbee, o “Wi-Fi de baixa potência”.

  Essencialmente, o Zigbee obtém o mesmo intervalo que o Wi-Fi, porém com uma taxa de dados baixa e uma potência significativamente menor, garantindo, dessa forma, uma duração muito longa da bateria.

  Há ainda um quarto elemento nesta equação: altas frequências reduzem o alcance ou exigem maior potência para conseguir o mesmo alcance. Porém, as altas frequências têm a vantagem de mais largura de banda e, portanto, maiores taxas de dados. Isso explica a tendência de altas taxas de dados “procurarem” altas frequências. Hoje, as mais recentes versões do Wi-Fi estão na faixa de frequência de 60 GHz, com alvos de até 100 Gbps (.11ay).

  Obviamente, muito mais pode ser dito sobre o assunto, mas em grande medida, esses parâmetros são os motivos pelos quais há três rádios nos telefones. Um rádio (LTE) serve para obter alcance para se conectar à estação base mais próxima em seu bairro; o segundo rádio (Wi-Fi) serve para obter desempenho quando você está em casa ou no escritório; e um terceiro rádio (Bluetooth) serve para permitir conectividade de curto alcance para os pequenos dispositivos, como fones de ouvido.

 

Um resumo das tecnologias

 

  Conforme a tecnologia avança, as diferenças entre telefones, TVs, laptops e tablets desaparecem. De certa forma, todos eles estão se tornando “computadores em rede”, mas cada um ainda tem seu próprio histórico de padrões de comunicação sem fio, já que cada um experimentou a sua própria transição da tecnologia com fio para a tecnologia sem fio. Telefones e computadores tiveram um caminho mais dinâmico, mas como os televisores são em grande parte dispositivos estáticos, sem mobilidade, a indústria de cabo e satélite permaneceu conectada apenas em seu próprio universo.

 

Diferentes padrões de tecnologia de rede

 

  Atualmente, o órgão de padronização para comunicação por telefone sem fio é o 3GPP; e para comunicação de dados de computador sem fio é o IEEE 802.11. As raízes do 3GPP estão nas operadoras de telefonia e em seus patrocinadores governamentais, lembrando que as operadoras eram originalmente órgãos governamentais e, em alguns países eles ainda o são. Já o IEEE 802.11 está enraizado na indústria de computadores, que reúne além de pesquisadores acadêmicos e reguladores, uma grande associação de engenheiros, a maioria patrocinada por suas empresas empregadoras.

  Além de suas origens, o IEEE 802.11 e o 3GPP têm outra diferença fundamental. O 3GPP patrocinado pelo governo trabalhou o licenciamento do espectro, que pode ser adquirido por um determinado período de tempo para fornecer serviços de comunicação. Enquanto licenciador, o governo é responsável por garantir que o espectro seja usado exclusivamente pelo licenciado.

  Não é o que acontece com o IEEE 802.11. A padronização dessa tecnologia foi feita nas bandas “não licenciadas”, bandas que foram reservadas pelo governo para “uso livre”, baseadas em um conjunto de regras com potência limitada, de modo que a faixa de interferências para aplicações permaneça local. Essas bandas são chamadas ISM (Industrial, Scientific and Medical) e podem ser encontradas nas faixas de 2, 5 e 60 GHz.

  As empresas investiram em seus engenheiros para desenvolver o IEEE 802.11 e, depois de criado, precisaram reforçar as conformidades do IEEE 802.11 como padrão, pois essa tecnologia em si não regula a conformidade. Para solucionar o problema surgiu a Wi-Fi Alliance, fundada por essas empresas interessadas em reforçar e promover o padrão IEEE 802.11, sob a marca Wi-Fi.

  Vale lembrar que, sem exagero, hoje a Wi-Fi é considerada uma das marcas mais valiosas do mercado. O 3GPP, por outro lado, nunca se concentrou em uma estratégia de marca coesa voltada para os consumidores. Isso faz sentido porque o 3GPP era do grupo das operadoras, que sempre teve um certo controle do mercado. Elas nunca tiveram que conquistar os corações e mentes dos consumidores, como o Wi-Fi e o Bluetooth. Então, em vez de se preocupar com problemas de consistência da marca, conjuntos inteiros de padrões cada vez melhores migraram do GSM/GPRS para o 3G, Edge, 4G, LTE e agora 5G, o que provavelmente envolverá um novo conjunto de implementações.

 

As batalhas e os sucessos do Wi-Fi

 

  Quando o Wi-Fi surgiu, no final dos anos 90, a tendência geral na terra do 3GPP era perguntar: por que você precisa de Wi-Fi? Naquela época, a padronização do 3G estava progredindo bem e prometendo altas taxas de dados, e os modems 3G conectados ou integrados em laptops forneceriam conectividade onipresente.

  Então, por que se preocupar com Wi-Fi? A opinião geral era de que essa “tecnologia não licenciada” desapareceria, provavelmente mais cedo do que tarde, porque nas faixas não licenciadas a falta de supervisão faria com que o desempenho caísse rapidamente em espiral.

  No entanto, sabemos hoje que as coisas se revelaram de maneira diferente. O Wi-Fi encontrou uma maneira de operar adequadamente nas bandas ISM não licenciadas e satisfazer as necessidades de conectividade sem fio em ambientes internos, residenciais ou comerciais, onde o 3G não conseguiu penetrar bem.

  Além disso, o Wi-Fi aumentou rapidamente a sua taxa de dados e expandiu suas capacidades, movendo-se da faixa de frequência de 2,4 GHz para a de 5 GHz. As tecnologias de ampliação de alcance e, mais recentemente, o conceito de Wi-Fi distribuído e Wi-Fi mesh também sustentam o sucesso do Wi-Fi até o momento.

  Um dos motivos pelo qual o Wi-Fi foi bem-sucedido foi o fato de que as comunicações de dados via 3G exigiam uma assinatura paga das operadoras de telefonia e um plano de dados, que inicialmente gerava contas bastante pesadas, sem mencionar as tarifas de roaming. Em comparação, o Wi-Fi era gratuito, ou pelo menos, o incremento de custo do Wi-Fi via telefone fixo, ISDN e, posteriormente, com o ADSL, tinha um custo limitado.

  Tínhamos operadoras cabeadas competindo diretamente com as operadoras sem fio, o que acabou estimulando a aceitação mundial do Wi-Fi. As operadoras de telefonia móvel ajudaram nisso, desencorajando inicialmente o uso de 3G para dados e, portanto, encorajando o uso do Wi-Fi, devido à preocupação com um colapso do serviço de voz, se o uso excessivo de dados 3G fosse feito.

  Aliás, isso responde à pergunta de por que a maioria dos computadores e tablets tem apenas dois rádios. Os rádios licenciados pelo 3G (e seus sucessores) raramente eram integrados em computadores ou tablets porque o Wi-Fi oferecia uma conexão à Internet econômica e versátil. Em comparação, um rádio 3G integrado era caro demais. Quando uma solução móvel é necessária, os usuários se voltam para dispositivos como modems 3G ou, mais comumente, usam seu telefone celular como um hotspot.

 

Wi-Fi versus Bluetooth (e agora Zigbee)

 

  Ao mesmo tempo em que a batalha entre Wi-Fi e 3G se desenrolou, outra surgiu. Várias empresas que eram fornecedoras do setor de telefonia, notadamente Ericsson e Nokia, enxergaram outro uso para as bandas ISM: o de melhorar a conectividade do telefone ao se conectar a um hotspot para downloads de informações e ao conectar fones de ouvido sem fio e outros dispositivos ao telefone.

  Para criar um padrão para esse tipo de conectividade via telefone, foi criado o Bluetooth SIG – Special Interest Group, tendo empresas como membros, em oposição aos engenheiros membros do IEEE 802.11. Logo de início, o Bluetooth SIG alardeou o 3GPP como a maravilha e declarou o Wi-Fi como redundante, dizendo ao mercado que o Wi-Fi logo desapareceria.

  Mais uma vez, não foi bem assim. Após alguns anos, ficou claro que o Wi-Fi e o Bluetooth tinham domínios de aplicativos separados e definidos: Wi-Fi para rede e Bluetooth para conectividade periférica. Desde então, muitos dispositivos surgiram com Wi-Fi e Bluetooth. O primeiro para as redes de alta velocidade e o segundo para conectar dispositivos. Por um tempo, houve um esforço para tornar o Bluetooth parte do IEEE, mas suas diferenças organizações e associações não permitiram.

  Curiosamente, há uma sequela desta batalha que ainda hoje repercute. O Zigbee, a variante de baixa potência do Wi-Fi, baseado no IEEE 802.15.4, está sob ameaça do BLE – Bluetooth Low Energy, a variante de baixa potência do Bluetooth. O Bluetooth SIG está desenvolvendo uma variante de rede (Bluetooth mesh) que deve competir com o Zigbee.

  Mas, analisando as propostas iniciais, parece que seria necessário adicionar uma considerável complexidade ao BLE para alcançar o que já está disponível com o Zigbee. Portanto, teremos que esperar e ver como isso vai se desenrolar.

 

Disponibilidade de espectro

 

  A evolução das tecnologias sem fio foi possível graças à crescente quantidade de espectro de rádio disponibilizado pelas autoridades reguladoras do mundo. As figuras abaixo fornecem indicações aproximadas das principais tecnologias e bandas de frequência envolvidas. Na World Radio Conference de 2019 (conferência mundial de rádio), novas alocações significativas são esperadas para Wi-Fi e 5G, para suportar a crescente demanda por comunicações de dados sem fio.

Operadoras de telefonia e Wi-Fi trabalhando juntas?

 

  Alguém poderia pensar que depois de 3G e Wi-Fi travarem as suas batalhas, as demarcações entre as duas tecnologias seriam claras: Wi-Fi para áreas privadas, casa e escritório, e 3G em qualquer outro lugar.

  Mas não. Inicialmente, as operadoras de telefonia no 3GPP estavam bastante desconfiadas sobre o desenvolvimento dos chamados “hotspots”, locais públicos onde as pessoas podiam ter acesso à Internet de alta velocidade sem a necessidade de uma assinatura.

  Felizmente, para as operadoras de telefonia, descobriu-se que administrar um grande número de hotspots não era tão fácil assim, especialmente para grandes redes de varejo e hotéis, cidades, trens, etc. Com isso, as empresas de hotspots públicos foram lentamente absorvidas pelas operadoras de telefonia, que começaram a adotar o Wi-Fi e aprenderam que ser “não licenciadas” não era tão ruim quanto parecia.

  As operadoras até desenvolveram estratégias para usar pontos de acesso públicos junto com roteadores privados para “desembarcar” sua rede. Em outras palavras, significa usar pontos de acesso Wi-Fi conectados aos serviços telefônicos tradicionais.

  Ao mesmo tempo, consumidores e empresas estão aprendendo que o funcionamento de redes Wi-Fi está se tornando mais complexo, e operadoras de telefonia, e mais recentemente operadoras a cabo, estão descobrindo que redes Wi-Fi privadas são oportunidades de negócios, ajudando consumidores e pequenas empresas a operarem suas redes.

  Hoje, com o rápido crescimento do tráfego de dados, especialmente por meio de aplicativos de vídeo como o YouTube, as operadoras precisam aumentar a capacidade. Mas conseguir mais bandas de frequência não é fácil. Uma maneira mais rápida de obter essa capacidade, além de aproveitar o Wi-Fi, foi perceber que o sucessor das tecnologias 3G, 4G ou LTE também pode ser executado na banda ISM.

  Essa percepção deu origem ao conceito de LTE-LAA – LTE with Licensed Assisted Access. As especificações 3GPP permitem que o Wi-Fi e o LTE-LAA sejam usados no mesmo espectro de 5 GHz. As primeiras instalações do LTE-LAA estão sendo planejadas agora. Teremos que esperar para saber se elas terão sucesso.

  Há uma nova batalha se aproximando. O IEEE 802.11 tem trabalhado diligentemente em versões de maior velocidade: .11n e .11ac, e está no processo de completar o .11ax. Ao mesmo tempo, o 3GPP está passando de 4G/LTE para o 5G.

  Assim, não é uma surpresa que a conversa seja, de novo, sobre qual tecnologia vai ganhar: o 5G ou IEEE 802.11ax? Ambos estarão nas altas taxas de dados (Gbps) e serão muito intensivos no uso de energia para obter um bom alcance.

  O IEEE 802.11ax tem um caminho claro, embora aumente a taxa de dados, a faixa de frequência é reduzida. Curiosamente, o Wi-Fi transformou essa desvantagem em uma vantagem ao enfocar esse novo padrão IEEE 802.11ax em redes Wi-Fi distribuídas e permitir o uso de vários canais ao mesmo tempo, para conectar vários pontos de acesso em áreas diferentes a um roteador principal.

  O foco do IEEE 802.11ax é a cobertura interna total, com todos os cantos da casa ou do prédio de escritórios cobertos pela mesma alta taxa de dados, criando uma experiência que não será facilmente substituível pelo 5G. E, para que não pareça bom demais para ser verdade, o IEEE 802.11ax é um padrão muito difícil e sua conclusão foi adiada por mais seis meses, com a ratificação agora prevista para o início de 2019.

  O 5G também enfrenta desafios sérios, incluindo atrasos. As taxas de dados mais altas do 5G também criam uma penalidade em seu alcance e, para as estações radiobase de celular a cobertura acontece “por quadra” (by the square). A expectativa é que o alcance para 5G diminua pelo menos a metade, forçando o número de estações radiobase mais que quadruplicar. Em áreas urbanas densas, encontrar imóveis para colocar estações de radiobase tem um custo muito alto. Assim, a implantação da infraestrutura 5G terá um custo significativo, ao mesmo tempo em que muitas operadoras ainda estão recuperando os seus investimentos em 4G.

  Embora isso varie um pouco em cada país e na estrutura financeira das operadoras de telefonia, a crença é que as taxas de dados mais altas serão necessárias para sustentar o apetite do consumidor e dos negócios, particularmente em densos cenários populacionais, onde o uso de espectro licenciado pode ser melhor controlado do que o não licenciado.

  De qualquer forma, o dinheiro flui para o desenvolvimento e amadurecimento do 5G.

 

Conclusão

 

  Quem vai vencer a batalha? Honestamente, não deveria haver uma batalha. Tanto o 5G quanto o Wi-Fi possuem características muito particulares que serão benéficas para conectar diferentes dispositivos à Internet. A operadora que melhor explorar ambas as tecnologias e definir e executar uma estratégia que aproveite as duas se tornará a campeã. Visto por esta perspectiva, o vencedor dessa batalha tecnológica será o usuário final.

Uso de sensores para o monitoramento de atividades humanas

Este artigo apresenta o modelo baseado em HARA – Human Activity Recognition with Accelerometer para o reconhecimento de atividades humanas a partir de dados de localização, movimentação e tempo.

Wagner D. do Amaral e Mario A. R. Dantas, Departamento de Informática e Estatística, da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)

  O artigo mostra um modelo baseado em HARA – Human Activity Recognition with Accelerometer para o reconhecimento de atividades humanas a partir de dados de localização, movimentação e tempo. É utilizado um acelerômetro como principal sensor, devido ao seu baixo consumo de energia e as suas pequenas dimensões. Identificar as atividades de um indivíduo é importante para compreender a sua rotina individual e identificar mudanças bruscas, que podem estar relacionadas a estágios iniciais de uma doença.

  Visando a eficiência do modelo, também é proposto o uso de um filtro de qualidade de contexto, onde dados com baixo valor QoC – qualidade de contexto são descartados.

  Segundo projeções do IBGE – Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística, em 2060 quase 34% da população brasileira será idosa, com mais de 60 anos. Em números absolutos, a estimativa é de que a quantidade de idosos triplique até 2060 [IBGE 2013].

  Nesse cenário, é preciso criar condições que garanta oportunidade e uma vida com qualidade e independência a essa população Como solução estão surgindo tecnologias de monitoramento de indivíduos em suas residências, os chamados ambientes domiciliares assistidos.

  Um ambiente domiciliar assistido é composto por um conjunto heterogêneo de sensores corporais e de ambiente, que geram grandes volumes de dados. A qualidade dos dados, portanto, é a chave para a manutenção desses ambientes.

  Para lidar com essa grande quantidade de informações e garantir que o modelo seja acessível, é necessário um processamento de alto desempenho com arquiteturas de baixo custo, além da implementação de um analisador de contexto que filtre os dados, descartando informações com pouco ou nenhum valor semântico.

  Ambientes domiciliares assistidos tradicionais usam diversas técnicas para detecção de anormalidades, porém, de uma forma geral, detectam anormalidades somente quando elas ocorrem, o que muitas vezes está ligado ao estado avançado de uma doença. Nesse tipo de sistema não é possível prever anomalias com tempo hábil para que ações preventivas sejam tomadas.

  Para preencher esta lacuna, deixada pelos ambientes domiciliares assistidos tradicionais, este artigo propõe o modelo HARA. Ao armazenar os dados do posicionamento na residência, movimentação e tempo, é possível inferir as atividades diárias de um indivíduo e, assim, entender a sua rotina individual.

  Mudanças bruscas na rotina podem estar relacionadas ao estágio inicial de alguma doença e a sua identificação na etapa inicial, geralmente, traz maiores chances de um tratamento bem-sucedido.

  O modelo aqui proposto utiliza um acelerômetro como principal sensor para o reconhecimento de atividades humanas, com baixo consumo de energia e pequenas dimensões, garantindo uma maior qualidade de vida para o usuário monitorado.

  Recentemente, muitos artigos passaram a abordar o tema de ambientes assistidos. Por se tratar de um conceito relativamente novo, poucos padrões encontrados na literatura.

  Alguns trabalhos utilizam apenas um único acelerômetro para o reconhecimento das atividades. Outros usam diversos sensores para a mesma finalidade.

  O uso de sensores corporais é amplamente utilizado, porém outras abordagens são encontradas na literatura, como a utilização de imagens para o reconhecimento das atividades.

  Para os sensores corporais, a posição do corpo onde o dispositivo será acoplado é muito importante. Apesar de não existir um padrão sobre onde os sensores devem ser posicionados, os lugares mais comuns são o peito, pulso, tornozelo e cintura.

  Para melhor compreender o estado atual da pesquisa nesta área, realizamos uma revisão da literatura.

Proposta principal

 

  Consideramos uma abordagem de QoC, com o objetivo de avaliar da qualidade dos dados recebidos e quais informações podem ser descartadas ou que devem dar origem a alertas. Uma visão geral do modelo pode ser observada na figura abaixo.

Obtenção dos dados

 

  Como citado anteriormente, serão obtidos dados de posicionamento, movimentação e tempo. Para tanto, um dispositivo deverá ser montado a partir de uma placa de processamento Tinyduino, acoplando a ela os shields de acelerômetro e BLE. Esse dispositivo deverá ser posicionado no corpo do indivíduo monitorado.

  A escolha dos shields de acelerômetro e BLE para incorporar o sensor corporal levou em consideração o baixo consumo de energia. O acelerômetro também é uma alternativa ideal para o modelo proposto devido a suas pequenas dimensões, diminuindo a intrusão.

  Para os dados de movimentação, serão utilizadas as informações do acelerômetro. Já para os de localização, um o módulo BLE ficará responsável por detectar a intensidade de sinal dos dispositivos disponíveis para pareamento. Haverá um dispositivo BLE para cada cômodo da casa e as intensidades serão comparadas para determinar a posição do indivíduo. Os dados de tempo serão responsabilidade do Raspberry Pi 3, um dispositivo que também receberá os dados de movimentação e localização do Tinyduino, por meio do BLE.

Previsões das atividades

 

  Após a obtenção e transmissão dos dados de movimentação e localização para o Raspberry Pi 3, com a adição da informação de tempo, será realizado um processo de predição para a inferência de qual atividade o indivíduo monitorado está realizando. Para isso, a técnica utilizada é Modelo Oculto de Markov. Esta técnica é capaz de representar uma quantidade infinita de sequências possíveis por meio de uma quantidade finita de estados. Assim, ela se mostra ideal para a necessidade do modelo proposto: representar uma sequência qualquer de ações executadas por um indivíduo por meio de uma quantidade limitada de estados.

QoC – Qualidade de contexto

 

  É proposto também que o modelo avalie a qualidade de contexto dos dados recebidos e decida o que deve ser descartado e o que deve dar origem a alertas. Para o cálculo da QoC, é utilizada a abordagem com os seguintes parâmetros: Completness, Coverage, Precision, Up-to-dateness e Significance.

  Cada um deles possui valor entre 0 e 1 e é realizado uma média entre eles, excluindo o parâmetro Significance. Este último terá o valor 1, se os valores medidos são válidos, mas não esperados, indicando um caso onde a criação de um alerta é necessária, ou 0, nos demais casos, indicando que os dados podem ser descartado.

Ambiente e resultados experimentais

 

  Inicialmente, é realizado um experimento para a leitura dos dados do acelerômetro, que em seguida passam pelo filtro QoC.

  A figura abaixo apresenta os valores lidos pelo acelerômetro, acoplado ao pulso de um indivíduo, que realiza uma sequência de atividades durante 35 segundos, em sua própria casa.

  Por meio da análise do gráfico, é possível observar que durante a sequência de atividades realizadas, os valores lidos pelo acelerômetro se alteram, porém, fica claro como é difícil e ineficaz uma identificação manual destas atividades.

  Assim, temos a importância do modelo HARA, que se propõe a identificar instantaneamente a atividade realizada pelo indivíduo.

Conclusões

 

  Este trabalho apresentou um modelo de reconhecimento de atividades humanas por meio do uso de sensor corporal para a captação de dados de movimentação e localização e tempo. O modelo também considera o uso da abordagem de QoC para avaliar a qualidade dos dados recebidos, permitindo decidir as informações que devem ser descartados ou darem origem a alertas.

  Para trabalhos futuros é sugerido a comparação da eficiência entre diferentes tecnologias de comunicação, como o bluetooth 4.0 clássico ou ZigBee. Outra comparação possível é a técnica de classificação.

Protocolos de comunicação para ambientes de Internet das coisas

Este artigo apresenta um estudo com foco nos protocolos utilizados na abordagem IoT – Internet das coisas. A necessidade de criação de novos protocolos surgiu como uma solução para a grande expansão de objetos IoT e
middlewares, que gerou diversos desafios de interoperabilidade e comunicação.

Giovanni Rotta e Mário Dantas, do Dep. de Informática e Estatística (INE), da UFSC – Universidade Federal de Santa Catarina

Andrea Charão, Dep. de Linguagens e Sistemas de Computação (DLSC), da UFSM – Universidade Federal de Santa Maria

  Vivenciamos uma transformação na maneira de enxergar a computação. Nos últimos anos, o conceito de computação ubíqua ou pervasiva ganhou um grande impulso com a chegada da Internet das coisas, que estimulada pelo desenvolvimento de dispositivos embarcados cada vez mais potentes e pelas possibilidades trazidas pela comunicação wireless, vem ganhando cada vez mais espaço entre pesquisadores e indústria.

Nesse contexto, vamos analisar as diferentes formas de transmissão de dados no universo de IoT, assim como os seus padrões de comunicação e protocolos. Também vamos estabelecer uma comparação entre dois dos mais usados protocolos de comunicação na camada de aplicação.

Internet das coisas

 

  A Internet das coisas é um paradigma tecnológico, que tem por finalidade conectar aparelhos eletrônicos utilizados no dia a dia por meio da Internet. A ideia básica é a presença pervasiva de uma variedade de objetos, como sensores, atuadores e smartphones, capazes de interagir uns com os outros e cooperar com objetos vizinhos a fim de atingir um objetivo em comum. Ou seja, um mundo onde a Internet estará em todos os lugares e objetos.

  A IoT tem o potencial de mudar a maneira como vivemos, influenciando tanto o campo doméstico como o ambiente de trabalho. Na vida doméstica, a IoT pode ser aplicada nas casas automatizadas, assisted living, e-health e enhanced learning entre outros diversos usos. Já no mundo corporativo, os benefícios afetarão áreas de automação, manufatura, logística e transporte.

Protocolos IoT

 

  O modelo utilizado como referência será o TCP/IP, usado para os protocolos na Internet. Pelo fato da Internet das coisas ter sido baseada à princípio na Internet, o TCP/IP consegue descrever com naturalidade as camadas utilizadas na mesma. O modelo é dividido em quatro camadas: rede, Internet, transporte e aplicação.

Rede

  A Camada de rede é definida como física, ou seja, corresponde às tecnologias usadas para a troca de pacotes. No caso da IoT, a comunicação na camada de rede se baseia em comunicação sem fio. Diversos padrões foram especificados para esta camada, como a série IEEE 802.11, 802.15.

Internet

  A tarefa da camada inter-redes é entregar pacotes onde eles são necessários. A ideia dos protocolos desta camada é endereçar, entregar e evitar congestionamentos.

Transporte

  No modelo TCP/IP, a camada localizada acima da inter-redes é chamada de “camada de transporte”. Sua finalidade é permitir que as entidades partam dos hosts de origem ao de destino, mantendo uma conversação.

Aplicação

  São protocolos de serviço específico de comunicação de dados em um nível processo a processo. O protocolo de aplicação mais utilizado para prover serviços web é o HTTP, porém ele possui muita complexidade computacional e tem um consumo de energia elevado para os dispositivos IoT.

Estudo sobre os protocolos IoT

 

Padrão IEEE 802.15.4

  O grupo da IEEE 802.15 especifica uma variedade de WPANs – Wireless Personal Area Network, entre eles Bluetooth, UWB, BAN, etc. O padrão estudado aqui, o 802.15.4, representa o maior padrão para low data rate WPANs. Seu principal objetivo é prover uma base para que outros protocolos possam ser adicionados nas camadas superiores (transporte, Internet e aplicação). Atua na camada de rede no modelo TCP/IP, enquanto que as camadas físicas e enlace atuam no modelo OSI. Assim, a camada física é responsável pela frequência, consumo de energia e modulação. Já a de enlace define o formato do dado.

  O IEEE 802.15 é adotado por diversos grupos que atuam no desenvolvimento de objetos e protocolos IoT, como Zigbee Alliance e Thread Group. Ele define protocolos e regras de interconexões para comunicação de dados entre dispositivos utilizando baixas taxa de transferência e consumo, além de pouca complexidade, por meio de radiofrequência de curto alcance.

Zigbee

  O Zigbee é um conjunto de especificações desenvolvido pela Zigbee Alliance para utilização em residências inteligentes (smart home) e IoT, que define as camadas subsequentes às camadas estabelecidas pelo IEEE 802.15.4, oferecendo serviços de segurança, tolerância a erros e conexão de novos dispositivos. O Zigbee abrange as camadas referentes a Internet, transporte e aplicação do modelo TCP/IP.

Thread

  Outro conjunto de especificação para smart home e IoT é o Thread. Ele define camadas utilizadas em cima do padrão IEEE 802.15.4, porém não fornece a camada de aplicação. Sempre utiliza de padrões de protocolos abertos para garantir integridade dos pacotes, utilizando os protocolos UDP e 6LoWPAN. Fornece serviço de segurança e tolerância a erros.

6LoWPAN

  Protocolo de permissão para que pacotes IPv6 sejam transmitidos em redes de baixo consumo de energia. Seu conceito inicial era permitir que os protocolos de Internet se estendessem para todos os tipos de dispositivos. Segue os padrões definidos no RFC 4944 e RFC 6282, que especificam transmissões IPv6 e sua compressão para camadas de rede IEEE 802.15.4. Sua principal tarefa é comprimir o cabeçalho TCP/IP e a mensagem enviada, diminuindo o custo de transmissão. Cabeçalhos TCP/IP possuem 128 bytes, enquanto o IPv6 apenas 40 bytes. Outras tarefas importantes do 6LoWPAN é a fragmentação e o reagrupamento de pacotes, assim como a sua distribuição dentro da rede.

Conclusões

 

  Com o surgimento e desenvolvimento da Internet das coisas, foi criado, também o desafio de desenvolver novas formas de comunicação que se adaptam ao conceito, utilizando baixo consumo de energia e poder computacional.

  Apesar dos esforços para padronizar e unificar os protocolos de comunicação, com o desenvolvimento de objetos de IoT realizado por diversos fabricantes, utilizando diferentes protocolos nas camadas mais superiores, como de aplicação, a interoperabilidade se mostrou um dos maiores desafios para essa nova realidade.

  Concluímos que, por conta da grande diversidade de protocolos, cada qual com suas características e peculiaridades, é necessário a investigação dos diferentes protocolos disponíveis, para assim, ter uma base de conhecimento para a melhor escolha em cada projeto.