IoT massiva é o nome dado a implantações em que um número muito grande de dispositivos pequenos, baratos e alimentados por bateria se conecta em uma mesma área, e cada um deles envia alguns bytes de dados de vez em quando. Pense em todos os hidrômetros de uma cidade, em todas as vagas de estacionamento de uma malha de ruas ou em todos os contêineres de lixo de uma rota de coleta. O termo vem do planejamento do setor de telefonia móvel para o 5G, em que descreve redes construídas para suportar um milhão de dispositivos por quilômetro quadrado.

Para concessionárias e planejadores urbanos, a escala muda o que precisa ser planejado. Um sensor é fácil. Quarenta mil deles levantam questões sobre capacidade de rádio, vida útil da bateria, quem opera a rede e como uma equipe pequena acompanha quais dispositivos ainda estão se comunicando.

O essencial

  • IoT massiva significa quantidades enormes de dispositivos de baixo consumo que enviam, cada um, mensagens pequenas e pouco frequentes, geralmente com baterias feitas para durar muitos anos.
  • As opções celulares são NB-IoT e LTE-M, operadas por operadoras móveis em espectro licenciado, e também são a forma como o 5G cobre a IoT massiva hoje.
  • Tecnologias LPWAN como LoRaWAN e mioty usam espectro sub-GHz não licenciado, em redes que você mesmo pode operar.
  • O rádio define a capacidade e a vida útil da bateria, enquanto a operação da frota define se o projeto ainda funciona no quinto ano.

O que são dispositivos de IoT massiva?

Os dispositivos de IoT massiva compartilham mais um perfil do que uma finalidade. São fixos ou se movem devagar. Enviam dados em intervalos programados: a cada 15 minutos, a cada hora ou uma vez por dia. Cada envio é minúsculo, muitas vezes de 10 a 50 bytes: uma leitura de medidor, um nível de enchimento, uma temperatura, um estado de aberto ou fechado. Toleram atraso, porque ninguém precisa do status de uma vaga de estacionamento em 10 milissegundos. E funcionam com baterias que devem durar anos, porque mandar alguém trocar 40.000 baterias é um projeto à parte.

Exemplos típicos são medidores de água, gás e calor, sensores de vaga de estacionamento, sensores de nível de enchimento em contêineres de lixo, sondas de umidade do solo, detectores de vazamento em prédios, nós de qualidade do ar e etiquetas simples de rastreamento de ativos. Uma campainha com vídeo ou uma câmera de segurança não faz parte desse grupo. As duas precisam de muito mais largura de banda e energia do que uma rede de IoT massiva foi projetada para oferecer.

Os números mostram por que o problema é a quantidade de transmissões, e não o volume de dados. Pense em uma concessionária de água com 40.000 medidores, cada um enviando uma leitura de 20 bytes a cada hora:

  • 40.000 medidores × 24 leituras = 960.000 mensagens por dia
  • 960.000 mensagens × 20 bytes ≈ 19 MB por dia, menos do que um vídeo curto de celular

O volume de dados é irrisório. O difícil é que quase um milhão de transmissões curtas de rádio precisam chegar a um receptor sem colidir umas com as outras, cada medidor precisa acordar, transmitir e voltar a dormir com um orçamento de energia apertado, e o back office precisa distinguir um medidor que está em silêncio de um que quebrou.

Distinguir os dois é um trabalho de operação da frota. Nessa escala, você registra os dispositivos em lotes, guarda as chaves de segurança deles em um lugar mais seguro do que uma planilha e fica de olho nos dispositivos que param de enviar dados, porque, vistos de uma mesa de escritório, uma bateria descarregada e um rádio com defeito parecem idênticos.

Quem compara o melhor software de atualização OTA para frotas de IoT massiva esbarra em uma questão de rádio antes de uma questão de software. Uma atualização de firmware over-the-air significa enviar dezenas ou centenas de kilobytes para cada dispositivo, e as redes de baixo consumo são feitas principalmente para o tráfego de subida. O LoRaWAN, por exemplo, tem especificações da LoRa Alliance para multicast e entrega fragmentada de firmware, mas em faixas não licenciadas com limites de duty cycle, atualizar milhares de dispositivos pode levar horas ou dias. O LTE-M lida com downloads maiores com mais folga. Muitos fabricantes de dispositivos simplesmente projetam o hardware de IoT massiva para que ele raramente precise de qualquer atualização.

Quais redes celulares suportam IoT massiva?

As operadoras móveis atendem a IoT massiva com dois padrões do 3GPP, o organismo que redige as especificações celulares. Os dois chegaram no Release 13 do 3GPP, concluído em 2016.

O NB-IoT (Narrowband IoT) usa um canal de apenas 180 kHz de largura. É lento e feito para payloads muito pequenos, mas alcança pontos bem no interior dos prédios e abaixo do solo, o que o torna uma escolha comum para medidores. O LTE-M, também chamado de LTE Cat-M1, usa 1,4 MHz, oferece taxas de dados mais altas, continua funcionando enquanto o dispositivo se move entre células e pode até transportar voz. Ambos contam com dois recursos de economia de energia, PSM (power saving mode) e eDRX (extended discontinuous reception), que permitem que um dispositivo durma por longos períodos e continue registrado na rede.

O caminho celular tem pontos fortes claros. A operadora constrói e mantém a rede, a cobertura muitas vezes já existe e o espectro é licenciado, então ninguém mais tem permissão para transmitir nele. As desvantagens são igualmente claras. Cada dispositivo precisa de uma assinatura própria, a cobertura depende de a sua operadora ter ativado NB-IoT ou LTE-M onde os seus dispositivos vão ficar, e o suporte a roaming entre países varia.

A outra família é a das tecnologias LPWAN (low-power wide-area network, ou rede de longa distância e baixo consumo) em espectro não licenciado, principalmente LoRaWAN e mioty. Nesse caso, você, ou um provedor que você escolher, instala gateways ou estações base, e os dispositivos não precisam de assinatura individual. Lado a lado, as quatro ficam assim:

NB-IoT LTE-M LoRaWAN mioty
Espectro Licenciado, operadora Licenciado, operadora Sub-GHz não licenciado Sub-GHz não licenciado
Quem opera a rede Operadora móvel Operadora móvel Você ou um provedor Você ou um provedor
Assinatura por dispositivo Sim Sim Não Não
Ponto forte Alcance profundo em ambientes internos Mobilidade, payloads maiores Grande ecossistema de dispositivos Capacidade, tolerância a interferência
Organismo de padronização 3GPP 3GPP LoRa Alliance ETSI

Nenhuma das famílias vence em todos os cenários. Uma concessionária que já paga a uma operadora por milhares de conexões pesa a escolha de forma diferente de uma cidade que quer ser dona da própria infraestrutura de rádio por décadas.

O que é IoT massiva no 5G?

Quando a UIT, a agência das Nações Unidas para telecomunicações, definiu os requisitos do 5G sob o nome IMT-2020, ela estabeleceu três cenários de uso. A banda larga móvel aprimorada cobre celulares e dados rápidos. A comunicação ultraconfiável de baixa latência cobre coisas como controle industrial. A comunicação massiva do tipo máquina, abreviada como mMTC, cobre números enormes de dispositivos simples, e esse terceiro cenário é a IoT massiva. O requisito mínimo da UIT para ele é uma densidade de conexões de 1.000.000 de dispositivos por quilômetro quadrado.

O que surpreende muita gente é que a IoT massiva no 5G hoje é, em grande parte, NB-IoT e LTE-M. O 3GPP incluiu os dois na sua submissão do 5G porque eles atendem aos requisitos de mMTC, e as operadoras podem operá-los ao lado do 5G New Radio. Não existe um rádio 5G mais novo para os sensores mais baratos. O 5G RedCap (reduced capability), introduzido no Release 17, mira uma faixa intermediária, como wearables e câmeras industriais que precisam de mais largura de banda do que o NB-IoT oferece. O Release 19 iniciou os trabalhos de ambient IoT, voltados a etiquetas minúsculas que captam energia do ambiente em vez de levar bateria, mas esse trabalho está em fase inicial.

Então, quando um fornecedor fala em IoT massiva no 5G, as perguntas úteis a fazer em seguida são concretas. Qual rádio os dispositivos usam de fato? A sua operadora oferece suporte a ele nos pontos onde os dispositivos serão instalados, incluindo subsolos e caixas de medidores? Quanto custa uma assinatura por dispositivo por ano, multiplicada pelo número de anos que você espera que os dispositivos funcionem?

Como o mioty lida com IoT massiva?

O mioty foi projetado desde o início para o caso denso e de baixo consumo. É uma tecnologia LPWAN desenvolvida no Fraunhofer IIS e padronizada pelo ETSI como TS 103 357, uma especificação também conhecida como TS-UNB (telegram splitting ultra-narrowband). Na Europa, ele transmite na faixa de 868 MHz, livre de licença.

A ideia central é a fragmentação de telegramas (telegram splitting). Em vez de enviar uma mensagem em uma única rajada, um dispositivo mioty a divide em muitos subpacotes muito curtos e os envia em momentos diferentes, em frequências diferentes. Um código de correção de erros permite que a estação base reconstrua a mensagem mesmo quando até metade dessas rajadas se perde. Em uma faixa congestionada, isso importa: se outro transmissor apagar algumas rajadas, a mensagem ainda chega e, como cada rajada é muito curta, as colisões entre milhares de dispositivos já se tornam menos prováveis desde o início.

Os números de capacidade publicados pelo Fraunhofer IIS e pela mioty Alliance são de até 110.000 endpoints por estação base, com alcance de cerca de 2,5 km, e até 3,5 milhões de mensagens por dia por estação base, para payloads pequenos enviados mais ou menos a cada hora. São números do protocolo, e os resultados reais dependem do terreno, dos prédios e dos intervalos de envio. Diante do exemplo de 40.000 medidores acima, o orçamento de mensagens de uma única estação base tem folga de sobra, o que significa que o planejamento de uma rede mioty é guiado principalmente pela cobertura.

Uma estação base sozinha só recebe rádio. Ela ainda precisa de um service center, o nome que o mioty dá ao servidor de rede que gerencia os endpoints e entrega as leituras deles às aplicações. No Kilo, você pode rodar essa parte de três formas: hospedar você mesmo o Kilo mioty Service Center open-source; usar o mioty com o servidor de rede integrado ao Kilo Cloud, em que você adiciona um conector mioty, aponta as estações base para ele e não tem nenhuma infraestrutura mioty para operar; ou pedir que a Kilo licencie e instale a edição Enterprise nas suas próprias instalações, sob demanda.

A partir daí, as leituras mioty ficam nos mesmos dashboards e nas mesmas regras que os dispositivos LoRaWAN da mesma organização. Para frotas do tamanho de um bairro, um único gatilho de regra pode acompanhar até 500 dispositivos selecionados e avalia cada um deles separadamente.

Perguntas frequentes sobre IoT massiva

Qual é a diferença entre IoT massiva e IoT crítica?

A IoT massiva é otimizada para quantidades enormes de dispositivos, baixo custo e longa vida útil da bateria, e aceita atrasos de segundos ou mais. A IoT crítica fica no outro extremo: cirurgia remota, mensagens de segurança entre veículos ou robôs estreitamente sincronizados, em que uma mensagem precisa chegar em milissegundos e quase nunca falhar. As duas usam hardware diferente, recursos de rede diferentes e orçamentos muito diferentes.

O LoRaWAN é considerado IoT massiva?

O LoRaWAN não faz parte da definição de 5G da UIT, que cobre padrões celulares, mas atende à mesma classe de dispositivos e é amplamente usado em medição, edifícios e agricultura. A maioria dos sensores LoRaWAN são dispositivos Classe A, que só escutam durante uma janela curta logo depois de transmitir. Esse hábito explica em grande parte por que eles conseguem funcionar por anos com uma bateria.

Quanto dura a bateria de dispositivos de IoT massiva?

A meta de projeto do 3GPP para o NB-IoT e para as opções de IoT celular estudadas junto com ele era de até dez anos de vida útil com uma bateria de 5 Wh. A vida útil real depende da frequência com que o dispositivo envia dados, da distância até a célula ou estação base mais próxima e da temperatura do local onde ele fica. Um sensor que envia dados a cada 15 minutos de um subsolo profundo consome muito mais energia por dia do que um que envia uma vez por dia do alto de um telhado.

A IoT massiva precisa de 5G?

Não. Muitas operadoras lançaram NB-IoT e LTE-M nas suas redes 4G anos antes do 5G, e as LPWANs não precisam de rede móvel nenhuma. Um prazo mais urgente para muitas concessionárias é o desligamento das redes 2G e 3G, que obriga medidores conectados mais antigos a migrar para tecnologias mais novas.

Cinco medidores emulados, criados a partir de predefinições de modelos reais de sensores, permitem ensaiar o lado operacional antes de comprar uma estação base. Coloque as leituras deles em um único dashboard e configure uma regra para disparar um alarme quando o consumo passar de um limite que você escolher; o plano gratuito do Kilo tem espaço exatamente para isso. A opção Enviar uma vez envia uma única leitura fora da faixa, para que você veja o alarme chegar. Quando o hardware mioty ou LoRaWAN real chegar, você aponta os mesmos dispositivos para o conector real e mantém o dashboard e a regra que já montou.