Capítulo 4 — Estrutura de Pacotes LoRa e Parâmetros Físicos


4. Estrutura de pacotes LoRa

A camada física do LoRa define como os dados são transmitidos pelo ar, ou seja:

  • Formato do pacote

  • Ordem dos campos

  • Parâmetros físicos de transmissão

Esses elementos são essenciais para compreender:

  • Consumo de energia

  • Alcance da comunicação

  • Capacidade da rede

  • Limitações regulatórias

4.1 Estrutura geral do pacote LoRa

Um pacote LoRa é composto pelos seguintes campos:

  1. Preamble (Preâmbulo)

  2. Header (Cabeçalho) — opcional

  3. Payload (Carga útil)

  4. CRC — opcional

A estrutura básica pode ser representada como:

| Preamble | Header | Payload | CRC |

4.2 Preâmbulo (Preamble)

O preâmbulo é uma sequência de chirps utilizada para:

  • Sincronizar o receptor

  • Ajustar a frequência

  • Detectar o início do pacote

Características

  • Composto por up-chirps

  • Finalizado com dois down-chirps

  • Comprimento configurável

Valor típico

  • 8 símbolos (padrão LoRaWAN)

🔎 Nota prática
Um preâmbulo maior:

  • Aumenta a robustez da detecção

  • Aumenta o Time on Air

  • Raramente é necessário em redes LoRaWAN convencionais

4.3 Header (Cabeçalho)

O header pode operar em dois modos:

4.3.1 Modo explícito (Explicit Header)

No modo explícito, o header contém:

  • Tamanho do payload

  • Coding Rate

  • Presença de CRC

✔️ Modo padrão no LoRaWAN

Vantagens:

  • Maior flexibilidade

  • Melhor interoperabilidade

  • Facilidade de decodificação

4.3.2 Modo implícito (Implicit Header)

No modo implícito:

  • O header não é transmitido

  • Receptor deve conhecer previamente:

    • Tamanho do payload

    • CR

    • CRC

❌ Não utilizado no LoRaWAN

Uso típico:

  • Links ponto-a-ponto

  • Protocolos proprietários

4.4 Payload (Carga útil)

O payload contém os dados efetivos transmitidos.

Limites práticos no LoRaWAN

O tamanho máximo do payload depende de:

  • Spreading Factor

  • Banda (BW)

  • Região (AU915)

Exemplo típico (AU915, uplink 125 kHz):

SFPayload máximo (bytes)
SF7242
SF8242
SF9115
SF1051
SF1151
SF1251

🔎 Nota AU915
Esses limites não são apenas técnicos, mas também definidos pela LoRaWAN Regional Parameters.

4.5 CRC (Cyclic Redundancy Check)

O CRC é usado para:

  • Detecção de erros

  • Garantir integridade dos dados

No LoRaWAN:

  • CRC físico do LoRa sempre habilitado

  • CRC adicional existe na camada LoRaWAN (MIC)

4.6 Parâmetros físicos do pacote

Os principais parâmetros físicos configuráveis são:

  • Spreading Factor (SF)

  • Largura de banda (BW)

  • Coding Rate (CR)

  • Potência de transmissão

  • Comprimento do preâmbulo

  • CRC habilitado/desabilitado

Esses parâmetros impactam diretamente:

  • Tempo no ar

  • Alcance

  • Consumo de bateria

  • Capacidade da rede

4.7 Cálculo do Time on Air (ToA)

O ToA pode ser calculado por:

Duração do símbolo

Ts=2SFBWT_s = \frac{2^{SF}}{BW}

Número de símbolos do payload

Npayload=8+max⁡(⌈8⋅PL−4⋅SF+28+16⋅CRC−20⋅H4⋅(SF−2⋅DE)⌉⋅(CR+4),0)N_{payload} = 8 + \max\left( \left\lceil \frac{ 8 \cdot PL - 4 \cdot SF + 28 + 16 \cdot CRC - 20 \cdot H }{ 4 \cdot (SF - 2 \cdot DE) } \right\rceil \cdot (CR + 4), 0 \right)

Onde:

  • PL = tamanho do payload (bytes)

  • CRC = 1 se habilitado

  • H = 0 (explícito) ou 1 (implícito)

  • DE = low data rate optimization

Time on Air total

ToA=(Npreamble+4.25+Npayload)⋅TsToA = (N_{preamble} + 4.25 + N_{payload}) \cdot T_s

4.8 Low Data Rate Optimization (DE)

A otimização de baixa taxa de dados:

  • Ativada automaticamente para SF ≥ 11

  • Evita problemas de sincronismo

  • Aumenta ligeiramente o ToA

✔️ Obrigatória em SF11 e SF12

4.9 Impacto regulatório (AU915 / Brasil)

No Brasil:

  • Não há duty cycle fixo (como 1% no EU868)

  • Existe limite de dwell time

  • O uso excessivo de SF alto:

    • Aumenta colisões

    • Reduz escalabilidade

    • Prejudica toda a rede

🔎 Boas práticas AU915

  • Priorizar SF7–SF9

  • Usar ADR

  • SF11/12 apenas quando estritamente necessário

Encerramento do Capítulo 4

Neste capítulo você aprendeu:

  • Estrutura completa de um pacote LoRa

  • Função do preâmbulo, header, payload e CRC

  • Modos explícito e implícito

  • Parâmetros físicos do pacote

  • Cálculo de Time on Air

  • Impactos práticos no AU915

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