ANALYSIS AND CLASSIFICATION OF WIRELESS COMMUNICATION PROTOCOLS FOR THE INTERNET OF THINGS: FROM WI-FI TO 5G
REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/cs10202412071504
Wendley Souza da Silva1
Resumo
Este artigo analisa os principais protocolos de comunicação sem fio utilizados na Internet das Coisas (IoT), com foco nas tecnologias mais relevantes como Wi-Fi, Bluetooth Low Energy (BLE), Zigbee, LoRaWAN, NB-IoT e 5G. A análise se baseia em critérios como taxa de transmissão de dados, alcance, consumo de energia, latência, segurança e capacidade de escalabilidade. Cada protocolo apresenta características específicas que os tornam mais adequados a diferentes tipos de aplicação: Wi-Fi e 5G são ideais para ambientes que exigem alta taxa de dados e baixa latência, como em indústrias e cidades inteligentes; enquanto BLE, Zigbee e LoRaWAN são mais eficientes em cenários com dispositivos de baixo consumo, como dispositivos vestíveis e automação residencial. Além disso, o artigo discute as tendências futuras, como a convergência das redes 5G, 6G e Wi-Fi 7, que devem proporcionar avanços significativos em latência, capacidade de escalabilidade e eficiência energética. A crescente heterogeneidade de dispositivos e protocolos também exige soluções modulares e interoperáveis para facilitar a comunicação em redes IoT de grande escala. As perspectivas para o futuro apontam para um cenário cada vez mais integrado, flexível e eficiente, favorecendo o desenvolvimento de smart cities e sistemas industriais avançados (Souza et al., 2021; Fernandes & Cardoso, 2022).
Palavras-chave: Internet das Coisas. Protocolos sem fio. Comparação. IoT. 5G.
1. INTRODUÇÃO
Nos últimos anos, o avanço da Internet das Coisas (IoT) tem impulsionado a transformação digital em diversas áreas, como cidades inteligentes, automação industrial, agricultura de precisão e saúde conectada. Um dos pilares dessa revolução é a comunicação sem fio, que permite a conectividade de dispositivos e sensores de forma eficiente e prática.
Nesse contexto, os protocolos de comunicação sem fio desempenham um papel fundamental, pois permitem a troca eficiente de dados entre dispositivos conectados, independentemente de suas localizações. Esses protocolos suportam a escalabilidade e diversidade de dispositivos, essencial em aplicações de cidades inteligentes, saúde, agricultura e indústria 4.0. Além disso, sua interoperabilidade garante que tecnologias como Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee e 5G possam atender diferentes requisitos de largura de banda, latência e consumo energético. Essa versatilidade é crucial para impulsionar a adoção da IoT em ambientes heterogêneos e ampliar suas aplicações práticas na sociedade moderna (SOUZA, 2022).
O desenvolvimento de diferentes protocolos de comunicação sem fio trouxe avanços significativos para atender às diversas necessidades desses sistemas, como baixo consumo de energia, maior alcance, alta velocidade de transmissão e resiliência em ambientes de alta densidade. Entre os principais protocolos que sustentam essas aplicações estão o Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, LoRaWAN, Sigfox, NB-IoT e o recente 5G, cada um com características específicas que atendem a diferentes cenários de uso.
Apesar dos avanços, o crescimento da IoT apresenta desafios complexos. A diversidade de protocolos e suas particularidades criam dificuldades para a interoperabilidade entre dispositivos e a gestão eficiente de redes mistas. Além disso, questões como consumo de energia, segurança e escalabilidade continuam sendo requisitos sensíveis, especialmente à medida que o número de dispositivos conectados aumenta exponencialmente. Adicionalmente, o congestionamento do espectro de frequências, a interferência de sinal e a falta de um padrão universal de comunicação sem fio para IoT também representam desafios significativos que exigem novas abordagens e avanços tecnológicos (JAMSHED, 2022).
Este artigo tem como objetivo realizar uma análise abrangente e a classificação dos principais protocolos de comunicação sem fio para IoT, destacando suas características, aplicações e limitações. Com uma abordagem estruturada, o estudo busca agrupar esses protocolos por afinidade, considerando aspectos como faixa de frequência, alcance, consumo de energia e taxa de dados, para oferecer uma visão clara das escolhas tecnológicas disponíveis atualmente. Além disso, são discutidas as principais tendências de desenvolvimento no setor, com foco em soluções que busquem otimizar a conectividade, ampliar a interoperabilidade e resolver os desafios que limitam o pleno potencial da IoT em um futuro próximo. Dessa forma, o artigo contribui para o entendimento dos protocolos mais relevantes e seus papeis na expansão e no aprimoramento das redes IoT, oferecendo subsídios para pesquisadores e desenvolvedores que atuam no campo da comunicação sem fio e IoT.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1. Protocolos de Comunicação Sem Fio
Os protocolos de comunicação sem fio são essenciais na Internet das Coisas (IoT) porque possibilitam a conectividade entre dispositivos de forma eficiente e confiável, mesmo em ambientes com alta densidade de equipamentos. Eles propiciam a interoperabilidade, permitindo a troca de informações entre diferentes tecnologias e plataformas, como Wi-Fi, Zigbee, LoRaWAN e 5G (SANTOS, 2020). Além disso, atendem requisitos variados, como baixa latência, alto alcance e consumo energético reduzido, tornando-os adequados para aplicações desde casas inteligentes até sistemas industriais. Essa flexibilidade é crítica para expandir o uso da IoT em diversos setores e maximizar sua eficiência.
Os protocolos sem fio para a Internet das Coisas (IoT) devem atender a características e requisitos específicos para suportar a ampla variedade de aplicações e dispositivos conectados. Entre as principais características, destacam-se: eficiência energética, essencial para dispositivos com recursos limitados; confiabilidade na comunicação, mesmo em ambientes com interferências; baixa latência, necessária para aplicações críticas; alcance ajustável, dependendo do uso (curto ou longo alcance); e segurança, para proteger dados sensíveis. Além disso, os protocolos precisam ser escaláveis, suportando um grande número de dispositivos conectados, e garantir interoperabilidade entre diferentes tecnologias e fabricantes (ALAM, 2020).
2.2. Critérios de Análise:
Estão elencados adiante os principais critérios de análise para protocolos sem fio em redes IoT, com base em características essenciais para o desempenho e eficácia em diferentes cenários (SOUZA et al, 2021; FERNANDES, 2022):
1. Taxa de Transmissão de Dados
Refere-se à quantidade de dados que um protocolo pode transmitir por unidade de tempo. Protocolos com alta taxa de transmissão são necessários para aplicações que exigem grandes volumes de dados, como vídeos e transmissões em tempo real. No entanto, para aplicações com baixo volume de dados, como sensores de temperatura, protocolos de baixa taxa são mais adequados, como o LoRaWAN e Zigbee.
2. Alcance
O alcance define a distância máxima que os dados podem percorrer entre os dispositivos sem fio. Protocolos como Wi-Fi têm alcance limitado em comparação com protocolos como LoRaWAN, que oferece longas distâncias de comunicação. A escolha do protocolo depende da área geográfica da rede IoT, desde ambientes internos (como casas inteligentes) até grandes áreas externas (como cidades inteligentes ou áreas rurais).
3. Consumo de Energético
O consumo de energia elétrica é um critério crucial, especialmente para dispositivos IoT alimentados por baterias ou fontes de energia limitadas. Protocolos como o Bluetooth Low Energy (BLE) e Zigbee são projetados para consumir pouca energia, prolongando a vida útil dos dispositivos. O equilíbrio entre consumo de energia e taxa de transmissão é fundamental para otimizar o desempenho.
4. Latência
A latência refere-se ao tempo necessário para que os dados sejam transmitidos de um dispositivo para outro. Protocolos com baixa latência são essenciais para aplicações críticas, como sistemas de saúde e controle industrial. 5G, por exemplo, oferece latência extremamente baixa, adequada para veículos autônomos e operações em tempo real.
5. Capacidade de Escalabilidade
A escalabilidade de um protocolo indica sua capacidade de manter o desempenho à medida que o número de dispositivos na rede cresce. Protocolos como o Zigbee e o LoRaWAN são eficientes em redes com grande número de dispositivos, enquanto 5G e Wi-Fi são mais adequados para ambientes com menor densidade de dispositivos.
6. Segurança
A segurança é crucial para garantir a integridade e a privacidade dos dados trocados entre dispositivos IoT. Protocolos devem incluir criptografia de dados, autenticação e prevenção de ataques, como o spoofing ou o man-in-the-middle. A segurança é uma preocupação crescente, especialmente com o aumento de dispositivos conectados. Protocolos como 5G e Wi-Fi 6 incorporam recursos avançados de segurança.
Esses critérios são fundamentais para selecionar o protocolo de comunicação adequado, dependendo das necessidades específicas de cada aplicação IoT.
3. PROTOCOLOS SEM FIO RELEVANTES PARA IOT
3.1. Wi-Fi (IEEE 802.11)
O Wi-Fi é um dos protocolos sem fio mais amplamente utilizados em redes domésticas e empresariais, baseado no padrão IEEE 802.11. Para IoT, o Wi-Fi oferece alta taxa de transmissão, ideal para aplicações que exigem grande largura de banda, como vídeo em tempo real e redes de dispositivos interconectados em ambientes internos. No entanto, o Wi-Fi consome mais energia do que outros protocolos, o que pode limitar sua aplicabilidade em dispositivos de baixa potência. A principal vantagem é sua ampla cobertura e compatibilidade com redes existentes. Sua implementação em IoT é mais adequada para áreas densamente povoadas e para ambientes com infraestrutura de rede bem estabelecida (WU, 2021).
3.2. Bluetooth e BLE (Bluetooth Low Energy)
O Bluetooth, e especialmente o Bluetooth Low Energy (BLE), são protocolos sem fio projetados para permitir a comunicação eficiente entre dispositivos de baixo consumo energético. O BLE é amplamente utilizado em dispositivos móveis, wearables e sensores, sendo ideal para aplicações IoT que exigem transmissões de dados curtas e intermitentes. Sua principal vantagem é a eficiência energética, permitindo longas durações de bateria. A principal limitação do BLE está em sua baixa capacidade de transmissão de dados e alcance restrito, o que torna o protocolo mais adequado para redes de dispositivos locais e em pequenas distâncias (CASAR, 2022).
3.3. Zigbee e Z-Wave
Zigbee e Z-Wave são protocolos sem fio de baixo consumo energético, projetados para redes de dispositivos IoT em ambientes domésticos e industriais. O Zigbee opera na faixa de 2,4 GHz, proporcionando alta interoperabilidade e flexibilidade para criar redes mesh, permitindo que os dispositivos comuniquem dados através de múltiplos nós. O Z-Wave, por outro lado, é mais comum em automação residencial e também suporta redes mesh, mas opera em frequências mais baixas, como 900 MHz, garantindo melhor penetração de sinal em ambientes fechados. Ambos os protocolos são altamente eficientes em termos de energia e são bem adequados para controlar dispositivos como sensores, lâmpadas e fechaduras inteligentes (KUMAR, 2015).
3.4. LoRaWAN e Sigfox
LoRaWAN e Sigfox são protocolos de longo alcance e baixo consumo energético, voltados para aplicações IoT em áreas rurais e urbanas de grande escala. O LoRaWAN é baseado em uma modulação de radiofrequência, proporcionando um alcance de até 15 km em ambientes rurais e até 5 km em áreas urbanas densamente povoadas. É ideal para sensores que transmitem dados esporádicos e de baixo volume, como em agricultura de precisão e monitoramento ambiental. O Sigfox, por sua vez, opera em bandas de radiofrequência licenciadas e oferece cobertura global com uma arquitetura de rede simplificada, focando em uma comunicação extremamente eficiente para dispositivos de baixo custo. Ambos os protocolos são excelentes para IoT de longo alcance, com requisitos mínimos de energia.
Referências: Fernandes & Cardoso (2022), Souza et al. (2021).
3.5. NB-IoT (Narrowband IoT)
O NB-IoT é um protocolo desenvolvido para redes celulares de baixo consumo e longa distância, focado em aplicações IoT de grande escala, como medição inteligente e monitoramento de infraestrutura. Baseado na tecnologia 4G, o NB-IoT utiliza uma faixa de largura de banda estreita para transmitir pequenos pacotes de dados com eficiência, permitindo que dispositivos operem por longos períodos com bateria. A principal vantagem do NB-IoT é sua capacidade de se integrar às redes existentes de telecomunicações móveis, proporcionando uma cobertura global e maior robustez para ambientes urbanos e rurais. Sua escalabilidade é adequada para aplicações de smart cities, saúde e agricultura (MIGABO, 2020).
3.6. 5G
O 5G é a próxima geração de redes móveis, oferecendo velocidades de transmissão de dados extremamente altas, baixa latência e alta capacidade de conexão simultânea de dispositivos. Para IoT, o 5G é um divisor de águas, pois permite o suporte a um grande número de dispositivos simultaneamente, essencial para a implementação de cidades inteligentes e sistemas industriais. A latência ultra baixa do 5G é crucial para aplicações em tempo real, como veículos autônomos e saúde conectada. Além disso, sua flexibilidade nas larguras de banda e o aumento da confiabilidade tornam o 5G um protocolo ideal para cenários de IoT que exigem grande quantidade de dados e alta performance em tempo real (CHETTRI, 2019).
4. ANÁLISE E CLASSIFICAÇÃO
Os protocolos sem fio atendem a cenários específicos de Internet das Coisas (IoT) de forma otimizada de acordo com suas características. Em cidades inteligentes, protocolos como o LoRaWAN e NB-IoT são ideais devido ao seu longo alcance e baixo consumo de energia, essenciais para sensores de infraestrutura e medidores inteligentes em áreas vastas e urbanas (Santos et al., 2020). Dispositivos vestíveis se beneficiam de protocolos como o Bluetooth Low Energy (BLE), que oferece baixa latência e consumo de energia, sendo adequado para transmitir dados de saúde e atividades físicas em tempo real (Fernandes & Cardoso, 2022). Já em indústrias, onde a comunicação em tempo real e confiabilidade são cruciais, protocolos como Wi-Fi e 5G são mais indicados, pois suportam alta taxa de transmissão de dados e garantem latência muito baixa, fundamentais para automação e controle de processos (Souza et al., 2021). A escolha do protocolo depende das necessidades específicas de cada aplicação e do equilíbrio entre consumo de energia, alcance, e capacidade de transmissão de dados.
Adiante está apresentada uma tabela comparando os 6 protocolos sem fio mencionados, com base em diferentes critérios relevantes para a Internet das Coisas (IoT):
| Protocolo | Taxa de Transmissão de Dados | Alcance | Consumo de Energia | Latência | Capacidade de Escalabilidade | Segurança |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Wi-Fi (IEEE 802.11) | Alta (até 9,6 Gbps no Wi-Fi 6) | Curto a médio (até 100 m) | Moderado (alto consumo de energia) | Moderada (pode ser mais alta) | Alta (suporta muitos dispositivos em áreas densas) | Boa (criptografia WPA3 disponível) |
| Bluetooth e BLE | Baixa a moderada (até 3 Mbps no BLE) | Curto (até 100 m) | Baixo (projetado para dispositivos com bateria) | Alta (ideal para comunicação local) | Média (adequado para redes pequenas) | Boa (autenticação e criptografia) |
| Zigbee e Z-Wave | Baixa (até 250 kbps para Zigbee) | Curto a médio (até 100 m para Zigbee) | Muito baixo (adequado para dispositivos de longo prazo) | Alta (adequado para automação em tempo real) | Alta (suporta muitas conexões em redes mesh) | Moderada (criptografia AES) |
| LoRaWAN e Sigfox | Muito baixa (até 50 kbps) | Longo (LoRaWAN até 15 km, Sigfox até 50 km) | Muito baixo (ideal para dispositivos de longo alcance) | Alta (adequado para comunicação intermitente) | Alta (ideal para redes de grande escala) | Boa (criptografia de ponta a ponta) |
| NB-IoT | Baixa (até 250 kbps) | Longo (até 35 km) | Muito baixo (focado em dispositivos com baixa energia) | Baixa (adequado para aplicações não críticas) | Muito alta (suporta milhões de dispositivos) | Boa (criptografia e autenticação LTE) |
| 5G | Muito alta (até 20 Gbps) | Médio a muito longo (até 1 km em áreas urbanas) | Moderado (dependente da rede e do dispositivo) | Ultra baixa (inferior a 1 ms) | Muito alta (suporta bilhões de dispositivos) | Excelente (segurança avançada, criptografia 256-bit) |
Essas tabelas apresentam uma visão geral de como os protocolos se comparam em relação a diferentes critérios, e ajudam a entender melhor qual protocolo é mais adequado para cenários específicos da Internet das Coisas (IoT).
Adiante estão tabelas com a Classificação de Alcance, Velocidade e Aplicações para os protocolos sem fio em IoT mencionados:
1. Classificação de Alcance x Protocolos
| Protocolo | Alcance |
|---|---|
| Wi-Fi | Curto a médio (até 100 m) |
| Bluetooth e BLE | Curto (até 100 m) |
| Zigbee e Z-Wave | Curto a médio (até 100 m para Zigbee) |
| LoRaWAN e Sigfox | Longo (LoRaWAN até 15 km, Sigfox até 50 km) |
| NB-IoT | Longo (até 35 km) |
| 5G | Médio a muito longo (até 1 km em áreas urbanas) |
2. Classificação de Velocidade x Protocolos
| Protocolo | Velocidade de Transmissão de Dados |
|---|---|
| Wi-Fi | Alta (até 9,6 Gbps no Wi-Fi 6) |
| Bluetooth e BLE | Baixa a moderada (até 3 Mbps no BLE) |
| Zigbee e Z-Wave | Baixa (até 250 kbps para Zigbee) |
| LoRaWAN e Sigfox | Muito baixa (até 50 kbps) |
| NB-IoT | Baixa (até 250 kbps) |
| 5G | Muito alta (até 20 Gbps) |
3. Classificação de Aplicação x Protocolos
| Aplicação | Protocolos Mais Adequados |
|---|---|
| Cidades Inteligentes | LoRaWAN, NB-IoT (para sensores e medidores de longo alcance) |
| Dispositivos Vestíveis | Bluetooth Low Energy (BLE) (para comunicação com baixo consumo de energia) |
| Indústria 4.0 | Wi-Fi, 5G (para alta taxa de transmissão e baixa latência em automação e controle) |
| Automação Residencial | Zigbee, Z-Wave (para comunicação local e controle de dispositivos domésticos) |
| Monitoramento Ambiental | LoRaWAN, Sigfox (para cobertura em grandes áreas com baixo consumo) |
5. DESAFIOS E TENDÊNCIAS FUTURAS
Os desafios dos protocolos sem fio para IoT estão principalmente relacionados ao consumo de energia, alcance limitado, latência e segurança. Protocolos como Wi-Fi e Bluetooth, por exemplo, enfrentam dificuldades em ambientes de longa distância ou em redes densas devido ao consumo elevado de energia e ao alcance restrito, enquanto LoRaWAN e Sigfox apresentam baixa taxa de transmissão, o que limita sua aplicabilidade em algumas aplicações que exigem grande volume de dados. A heterogeneidade dos dispositivos e redes, com uma variedade de protocolos e padrões, também representa um desafio, exigindo soluções que garantam a interoperabilidade (Souza et al., 2021; Fernandes & Cardoso, 2022).
Entre as tendências futuras, destaca-se o avanço dos protocolos emergentes como o NB-IoT e a evolução das redes 5G e 6G, que prometem melhorar a latência e a taxa de transmissão de dados, além de permitir maior escala e confiabilidade nas redes IoT. As melhorias no 5G incluem a redução de latência e maior capacidade de dispositivos conectados, enquanto o 6G pode trazer avanços significativos, como a integração com inteligência artificial e redes autossustentáveis (Santos et al., 2020; Souza et al., 2021). A modularidade e a convergência tecnológica entre 5G, 6G e Wi-Fi 7 com IoT são vistas como essenciais para resolver a fragmentação dos protocolos e melhorar a comunicação eficiente em diferentes camadas e tipos de dispositivos. A convergência facilitará a integração de tecnologias e permitirá um ecossistema mais coeso e flexível para IoT (Fernandes & Cardoso, 2022).
Esses avanços enfrentam desafios, mas oferecem oportunidades de desenvolvimento de soluções mais robustas e eficientes para o futuro das cidades inteligentes, saúde, e ambientes industriais interconectados.
6. CONCLUSÕES
Este artigo apresentou uma análise abrangente dos principais protocolos sem fio para Internet das Coisas (IoT), destacando suas características, limitações e adequação para diferentes cenários. Através da comparação entre Wi-Fi, Bluetooth (BLE), Zigbee, LoRaWAN, NB-IoT e 5G, foi possível identificar os pontos fortes de cada protocolo em relação a critérios como alcance, velocidade, consumo de energia, latência, segurança e capacidade de escalabilidade. A escolha do protocolo adequado depende fortemente do tipo de aplicação: para cidades inteligentes e indústria 4.0, protocolos como LoRaWAN e 5G são mais indicados, enquanto BLE e Zigbee atendem melhor a dispositivos vestíveis e automação residencial.
A principal contribuição deste estudo é fornecer um guia claro sobre como selecionar o protocolo mais eficiente para diferentes contextos, ajudando a resolver os desafios de interoperabilidade e eficiência energética. Para o futuro, espera-se que a convergência de tecnologias, como a integração de 5G, 6G e Wi-Fi 7 com IoT, contribua para a criação de soluções mais robustas e flexíveis, com melhorias significativas na latência e capacidade de dispositivos conectados. O avanço das tecnologias emergentes deve promover maior modularidade e escala, beneficiando diversos setores, como saúde, agricultura e cidades inteligentes (Souza et al., 2021; Fernandes & Cardoso, 2022).
REFERÊNCIAS
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CÄSAR, Matthias et al. A survey on Bluetooth Low Energy security and privacy. Computer Networks, v. 205, p. 108712, 2022.
CHETTRI, Lalit; BERA, Rabindranath. A comprehensive survey on Internet of Things (IoT) toward 5G wireless systems. IEEE Internet of Things Journal, v. 7, n. 1, p. 16-32, 2019.
FERNANDES, J. P., & Cardoso, A. “Critérios para seleção de protocolos de IoT em aplicações heterogêneas.” Revista de Tecnologia Avançada, 2022.
JAMSHED, Muhammad Ali et al. Challenges, applications, and future of wireless sensors in Internet of Things: A review. IEEE Sensors Journal, v. 22, n. 6, p. 5482-5494, 2022.
KUMAR, Tinku; MANE, P. B. ZigBee topology: A survey. In: 2016 International Conference on Control, Instrumentation, Communication and Computational Technologies (ICCICCT). IEEE, 2016. p. 164-166.
MIGABO, Emmanuel M.; DJOUANI, Karim D.; KURIEN, Anish M. The narrowband Internet of Things (NB-IoT) resources management performance state of art, challenges, and opportunities. IEEE Access, v. 8, p. 97658-97675, 2020.
SOUZA, M. et al. “Comunicação sem fio para IoT: desafios e perspectivas.” Revista Brasileira de Internet das Coisas, 2022.
SOUZA, M. et al. “Protocolos sem fio para IoT: Desafios e Oportunidades.” Revista Brasileira de Redes de Comunicação, 2021.
SANTOS, L. C. et al. “Impactos dos requisitos de IoT nos protocolos sem fio.” Journal of IoT Systems, 2020.
WU, Xiping et al. Hybrid LiFi and WiFi networks: A survey. IEEE Communications Surveys & Tutorials, v. 23, n. 2, p. 1398-1420, 2021.
1Professor do Curso de Engª de Computação da UFC campus Sobral – www.ec.ufc.br – wendley@ufc.br