Introduzione

Il LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) è una tecnologia radio a lungo raggio molto utilizzata in ambito “Internet of Things”.

Questo sistemi di trasmissione viene utilizzato per connettere in modalità wireless numerosi dispositivi e soddisfare i requisiti classici del mondo IoT:

• comunicazione bi-direzionale
• sicurezza end-to-end
• servizi di mobilità e localizzazione

Il LoRaWAN utilizza la tecnologia LoRa come tecnologia di modulazione in frequenza e rientra tra le tecnologie LPWAN (Low Power Wide Area Network). Tra queste tecnologie c'è anche NB-IoT su cui ho fatto un articolo, se te lo fossi perso ti lascio qui il link

Insieme alle altre tecnologie LPWAN (NB-Iot, LTE Cat M-1, Sigfox etc) viene utilizzata per quelle applicazioni che richiedono un basso consumo energetico, un range di trasmissione elevato ma una quantità di dati ridotta in trasmissione/ricezione.

Nonostante siano due cose diverse spesso si parla di LoRa e LoRaWAN scambiandone i significati, anche io in questo articolo utilizzerò entrambi i termini quasi indistintamente ma prima di cominciare ne voglio chiarire bene la differenza.

LoRa è una tecnologia di modulazione in frequenza a spettro espanso basata su CSS (Chirp Spread Spectrum), fu sviluppata dall’azienda francese Cycleo acquisita poi da Semtech.

Quando si parla di LoRa si fa quindi riferimento al canale fisico e alla modalità di trasmissione, si tratta tra l’altro di una tecnologia proprietaria senza quindi documentazione ufficiale.

LoRaWAN è invece uno dei protocolli di rete MAC (Media Access Control) sviluppato per definire gli strati superiori della rete basata su LoRa.

Di seguito un’immagine che chiarisce bene lo stack di questo protocollo:

Caratteristiche del LoRaWAN

Di seguito le caratteristiche principali di questa tecnologia:

• Ampia copertura geografica: LoRaWAN è progettata per la comunicazione a lunga distanza. Le stazioni base possono ricevere segnali da dispositivi LoRa situati fino a diversi chilometri di distanza in ambienti urbani e oltre 10 chilometri in ambienti rurali. Ha una buona copertura anche in aree dove le reti cellulari potrebbero non essere così dense.
• Basso Consumo Energetico: I dispositivi LoRaWAN consumano poca energia, il che li rende ideali per applicazioni IoT alimentate a batteria che richiedono una lunga durata operativa.
• Bassi Costi di Implementazione e Operativi: LoRaWAN utilizzato uno spettro non licenziato, funziona su bande di frequenza ISM (Industrial, Scientific and Medical) che sono libere da licenze, riducendo i costi e la complessità di implementazione.
• Velocità di trasmissione:la velocità di trasmissione può variare da circa 0,3 kbps a 27 kbps, dipende da fattori che vedremo in seguito
• Latenza:anche la latenza può variare molto. In condizioni di rete congestionata e modalità di basso consumo energetico può raggiungere anche decine di secondi

Canale fisico e sistema di trasmissione (LoRa)

LoRa è una modalità di trasmissione spread spectrum (o frequency hopping) che utilizza un range di frequenze per la comunicazione.  La banda occupata per la trasmissione é molto più ampia di quella necessaria per trasportare l'informazione. Come le altre tecnologie spread spectrum ha numerosi vantaggi quali resistenza al jamming e al fading.2

A differenza di altre tecnologie utilizza bande non licenziate: 433mhz in usa, 868 in europa, 912 mhz alcune zone del nord est europa. Il datarate è variabile e può arrivare fino a 27kbit/s

La tecnica di modulazione Chirp spread spectrum è proprietaria (semtech) perciò non esiste una specifica ufficiale tuttavia è stata ampiamente studiata e ne conosciamo il funzionamento.

Prende il nome dall’elemento base che compone l’informazione, il chirp. Ogni chirp rappresenta un pacchetto di dati che permette di essere decodificato anche se manca parte del pacchetto stesso.

Il chirp consiste in una variazione lineare in frequenza, che spazia nell’intera banda assegnata al canale che può essere 125, 250 o 500kHz, la variazione può andare verso frequenze più alte (up chirp) o verso frequenze più basse (down chirp).

Un simbolo corrisponde ad una escursione di frequenza che copre la banda in un certo lasso di tempo, la quantità di informazione all’interno di un simbolo è data invece dallo spreading factor (2SF). Se abbiamo uno spreading factor di 10, il valore del chirp può andare da 0 a 1024.

Ma vediamo nella pratica come interpretare un chirp con SF 10:

Immaginiamo di dividere la zona tra Fmin e Fmax in 1024 parti, stessa cosa per la zona tra T0 e T1. Il valore, in questo caso 256 è dato da:

• Frequenza tra Fmin e Fmax in cui il chirp inizia
• Frequenza tra Fmin e Fmax in cui il chirp finisce
• Tempo da quando il chirp torna a Fmin fino a fine chirp (T1)

Avendo l’informazione in 3 modi diversi ad un ricevitore che dovesse ricevere un segnale disturbato gli basta anche solo una parte del segnale per ricostruire il dato.

Vediamo com’è la struttura di un pacchetto completo:

1. Preambolo - diversi upchirp per la sincronizzazione del ricevitore sull’inizio dei chirp
2. Marker di sincronizzazione - due downchirp che indicano l’inizio del pacchetto
3. Contenuto pacchetto

Una delle caratteristiche più importanti è la possibilità di avere uno spreading factor adattativo, modificando lo spreading factor si modifica non solo la quantità di informazione all’interno di un simbolo ma anche la pendenza del chirp. Maggiore sarà lo spreading factor e più lenta avviene la trasmissione.

Quando il segnale è buono si utilizza un basso spreading factor e quindi un bitrate più elevato, quando il segnale è debole si aumenta lo spreading factor.

Si può addirittura trasmettere contemporaneamente su piu spreading factor, il ricevitore può essere in grado di processare contemporaneamente segnali con diversi spreading factor e aumentare la ricezione.

Protocollo di rete LoRaWAN

Come ho già accennato all’inizio, uno dei protocolli di rete più utilizzati è il LoRaWAN. Si tratta di un protocollo MAC sviluppato e promosso dalla LoRa Alliance.

L’architettura del LoRaWAN è basata sui seguenti elementi:

• Dispositivi Iot - Possono essere sensori, attuatori o entrambe le cose, sono spesso alimentati a batteria. Inviano o ricevono messaggi attraverso la modulazione RF LoRa da e verso i Gateway
• Gateways - ricevono i messaggi dagli end device e li inoltrano al server utilizzando rete celluare (3G/4G/5G), WiFi, Ethernet, fibra ottica.
• Server - Gestisce le informazioni dell’intera rete, può essere collegata ad applicazioni per la gestione delle informazioni ricevute o trasmesse

LoRaWAN definisce due tipologie di messaggi:

• Uplink - un end node trasmette un messaggio al server attraverso uno o più gateway
• Downlink - il server trasmette un messaggio ad un singolo dispositivo attraverso un singolo gateway

La specifica LoRaWAN definisce tre classi di dispositivi: Classe A, Classe B e Classe C. Tutti i dispositivi devono implementare la classe A mentre B e C sono estensioni della specifica della classe A.

Tutti i dispositivi supporto una comunicazione bidirezionale e quindi sia messaggi uplink che downlink. Un aggiornamento over the air del dispositivo può avvenire solo per dispositivi in classe B o C.

Vediamo le caratteristiche delle varie classi:

Classe A

Un dispositivo in classe A può inviare un uplink in qualsiasi momento, dopo aver inviato il messaggio apre due finestre di ricezione in cui si aspetta di ricevere risposta dal server. Il server può rispondere durante la prima finestra di ricezione o durante la seconda ma non entrambe.

I dispositivi in classe A hanno un basso consumo energetico poiché passano gran parte del tempo in sleep mode ma hanno una latenza molto alta e il server non può comunicare se non dopo aver ricevuto un uplink.

Classe B

I dispositivi di Classe B aprono periodicamente finestre di ricezione chiamate ping slot per ricevere messaggi di downlink. La rete trasmette periodicamente attraverso i gateway un beacon sincronizzato che viene ricevuto dai dispositivi. Questi beacon forniscono un riferimento temporale per i dispositivi, consentendo loro di allineare i loro orologi interni con la rete. Ciò consente al server di rete di sapere quando inviare un downlink a un dispositivo specifico

Dopo un uplink, le due finestre di ricezione brevi, RX1 e RX2, si aprono in modo simile ai dispositivi di Classe A.

Classe C

I dispositivi di Classe C mantengono aperte le finestre di ricezione a meno che non trasmettano un uplink. Pertanto, i dispositivi di Classe C possono ricevere messaggi di downlink in qualsiasi momento. 

I dispositivi di Classe C aprono due finestre di ricezione, RX1 e RX2, simili alla Classe A. Tuttavia, la finestra di ricezione RX2 rimane aperta fino alla successiva. Dispositivi in classe C sono solitamente dei dispositi che hanno attuatori controllabili dal server.

Punti di forza

Il LoRaWAN come il NB-Iot ha un’ottima copertura e consumi energetici ridotti ma a differenza del NB-Iot utilizza reti non licenziate e quindi costi di servizio ridotti.

Inoltre può essere utilizzato per applicazioni diverse come sostituto del gps per conoscere la posizione di un dispositivo, questo avviene triangolando un segnale di un dispositivo su diverse stazioni gateway.

Inoltre è possibile anche realizzare una rete mesh in cui tutte le stazioni della maglia radio possono essere trasmettitore e ricevitore. Questo fa si che tutti possono sentire tutti e migliora la “raggiungibilità” di un end node da parte di un gateway.

Applicazioni

Il LoRaWAN può avere moltissime applicazioni in ambiti più disparati ma è già molto diffuso nei seguenti settori:

• Smart Metering: Lettura a distanza dei contatori per acqua, gas ed elettricità. Questo consente alle utility di raccogliere dati in tempo reale senza necessità di interventi manuali, migliorando l'efficienza e riducendo i costi.
• Smart Cities: Gestione intelligente dell'illuminazione pubblica, monitoraggio della qualità dell'aria, gestione dei rifiuti e monitoraggio del traffico.
• Salute e sicurezza: Monitoraggio dei pazienti, degli anziani o dei lavoratori in ambienti pericolosi. LoRaWAN può fornire dati vitali in tempo reale per migliorare la sicurezza e il benessere delle persone.