IoT
LoRa/LoRaWAN
Introduzione ad una tecnologia molto popolare
Il protocollo di comunicazione LoRa e LoRaWAN
Il protocollo di trasmissione LoRa/LoRaWAN ha avuto un impatto significativo nel mondo delle comunicazioni IoT. La sua capacità di coprire lunghe distanze con una bassa potenza di trasmissione, la resistenza ai disturbi e l’interoperabilità hanno reso questa tecnologia molto popolare in diversi settori.
Nel corso degli anni la crescente disponibilità di dispositivi IoT basati su tecnologia LoRa e l’espansione delle reti LoRa/LoRaWAN ha reso questa tecnologia un best seller nel mondo dell’IoT.
Sommario
Cos'è LoRa/LoRaWAN
Il protocollo LoRa/LoRaWAN è una tecnologia wireless a lungo raggio (long range) che consente la comunicazione a bassa potenza (low power) tra dispositivi IoT (Internet of Things) su lunghe distanze.
LoRa (sta per Long Range) è il protocollo di modulazione utilizzato per la trasmissione dei dati.
LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) è il protocollo di rete che gestisce la comunicazione tra i dispositivi e le infrastrutture di rete.
Semtech Corporation ha sviluppato il protocollo LoRa/LoRaWAN che ha guadagnato rapidamente popolarità grazie alle sue caratteristiche uniche. Una delle sue peculiarità è la capacità di coprire distanze molto lunghe, fino a diversi (anzi parecchi) chilometri, con una bassa potenza di trasmissione. Questo rende la tecnologia ideale per applicazioni IoT che richiedono una copertura estesa, come la gestione delle reti di sensori in aree rurali o urbane.
Non solo. Si tratta di un protocollo che offre una buona resistenza alle interferenze, grazie alla sua capacità di utilizzare frequenze non licenziate, come la banda ISM (Industrial, Scientific and Medical) a 868 MHz in Europa e 915 MHz in Nord America, per citarne alcune.
Ciò permette ai dispositivi LoRa/LoRaWAN di operare senza interferire o essere disturbati da altre reti wireless.
I vantaggi di LoRa/LoRaWAN
Ampia estensione
A livello industriale e professionale, LoRa si è affermato come una soluzione largamente diffusa e apprezzata. È ideale per quei dispositivi che devono comunicare su aree estese. Si pensi a sensori installati in zone rurali (noi di Reterea ne sappiamo qualcosa), ad esempio quelli adoperati in agricoltura. Oppure ai dispositivi per il monitoraggio ambientale su larga scala ma anche alla creazione di reti di device distribuiti in aree urbane per il cosiddetto Smart-City.
Basso consumo energetico
Come già detto nell’introduzione, i prodotti compatibili LoRa sono contraddistinti da un basso consumo energetico. Possono quindi funzionare per lunghi periodi con batterie di piccole dimensioni o addirittura utilizzare fonti di energia alternative come piccoli pannelli solari. Questo è un punto chiave importantissimo.
Solo una reale durata pluriennale delle batterie possono consentire ai device IoT di diventare profittevoli per i business più esigenti. Pensa ai costi che un’azienda dovrebbe affrontare se dovesse sostituire le batterie di migliaia di sensori ogni pochi mesi.
Efficace penetrazione del segnale
Il segnale LoRa può superare edifici e ostacoli, consentendo la comunicazione affidabile anche in ambienti difficili. È quindi possibile eseguire il monitoraggio di strutture al chiuso, dei parcheggi sotterranei e di altri ambienti in cui la penetrazione del segnale è un requisito imprescindibile. Naturalmente la copertura si allarga fino a diverse decine di km di copertura se ci spostiamo in scenari di aree rurali con un chiaro line of sight tra trasmettitore e ricevitore.
Scalabilità
LoRa è fortemente scalabilità consentendo di aggiungere rapidamente alla rete un numero sempre crescente di dispositivi. Si pensi alle moderni reti IoT in continua espansione, in cui migliaia o milioni di dispositivi devono essere gestiti e coordinati in tempo reale o quasi.
Altri vantaggi di LoRa/LoRaWAN
Affidandosi alla tecnologia LoRa, si possono:
- sfruttare varie opzioni per la configurazione dei parametri di trasmissione,
- ridurre i costi di implementazione,
- approntare reti affidabili in modo piuttosto rapido.
Inoltre:
- i parametri pensati per il protocollo consentono di tarare anche in maniera adattiva i parametri di trasmissione. In questo modo si favorisce il risparmio di energia mantenendo sempre il miglior livello di segnale possibile;
- il protocollo si distingue per la sua bidirezionalità. Ogni nodo può non solo trasmettere dati ma anche rivecerli. Questo consente ad ogni device IoT dotato di tecnologia LoRa/LoRaWAN di essere sia un sensore che un attuatore.
Gli svantaggi di LoRa/LoRaWAN
Una tecnologia per la trasmissione di dati ad ampio raggio non può ovviamente offrire un’ampia larghezza di banda e latenze contenute. Questi sono i principali svantaggi di LoRa.
Dobbiamo scordarci di poter inviare payloads (messaggi dati) che superino qualche decina di bytes. Quindi niente immagini e video, solo dati numerici (ad esempio temperatura ed umidità) e magari pacchettizzati per occupare meno bytes possibili.
Velocità trasmissione dati
La velocità di trasmissione dati del protocollo LoRa/LoRaWAN è molto limitata rispetto agli standard wireless che tutti conosciamo. Si parla di una “forbice” compresa tra 300 bps (0,3 kbps) e 50 kbps, a seconda delle particolari implementazioni.
Tuttavia, dal momento che il volume dei dati da trasferire è piuttosto limitato e che spesso LoRa è utilizzato per gestire semplici sensori, la possibilità di veicolare i dati su lungo raggio consumando un ridotto quantitativo di energia è di gran lunga più vantaggiosa rispetto alla disponibilità di una larghezza di banda più ampia.
Limite dimensione dati
A causa delle caratteristiche di trasmissione a lungo raggio, i pacchetti di dati trasmessi sono spesso soggetti a limiti di dimensione. Questo potrebbe limitare l’uso di LoRa per applicazioni che richiedono la trasmissione di quantità di dati più impegnative.
Congestione banda e interferenze
Per poter utilizzare la banda ISM non licenziata si deve ottemperare ad un limite temporale di occupazione definita Time On Air,per permettere giustamente a tutti di trovare una finestra di tempo libera dove trasmettere.
Anche se LoRa opera su bande di frequenza senza licenza, la banda disponibile per l’uso della tecnologia è comunque limitata. Di conseguenza si possono verificare fenomeni di congestione in aree con molte reti LoRa operative.
In Europa le comunicazioni LoRa vengono tipicamente gestite sulle frequenze dei 433 e degli 868 MHz.
Inoltre, anche se LoRa è progettata per resistere alle interferenze, la presenza di altre fonti radio, come dispositivi wireless a banda larga, può influire sulla qualità delle comunicazioni.
Per farla breve, e visto che su questo argomento noi di Reterea abbiamo una certa esperienza, non aspettarti di avere il 100% delle trasmissioni avvenute con successo.
Competenze per installare gateway
Ultimo ma forse il maggior svantaggio di LoRaWAN è la necessità di installazione di gateway. Ove non disponibili di terze parti, è il successo della copertura, della qualità del segnale è fortemente influenzato dal posizionamento dell’antenna del gateway stesso.
Per il setup e l’installazione dei devices non serve molto know-how, al contrario per l’installazione e la messa in funzione di un gateway soprattutto se si vogliono coprire grosse aree (con raggi di copertura di 20km e più) serve un bel po’ di professionalità.
LoRa e LoRaWAN, vediamo le differenze
LoRa: protocollo di modulazione dei segnali radio
LoRa è una tecnologia di livello fisico (PHY). Ciò significa che essa si occupa della modulazione e della demodulazione dei segnali radio, ma non gestisce il livello di rete o le caratteristiche peculiari dei vari dispositivi coinvolti nelle comunicazioni.
Quando ancora non esisteva LoRaWAN noi geeks informatici dovevamo costruirci sopra uno stack proprietario per gestire quella che potremmo definire infrastruttura ad hoc.
LoRaWAN: protocollo di rete per la comunicazione bidirezionale
LoRaWAN è il protocollo di rete che opera al di sopra della tecnologia LoRa, seplificando notevolmente la vita di chi vuole utilizzare LoRa nei suoi sensori. Si tratta di un protocollo di comunicazione bidirezionale che consente ai dispositivi di comunicare attraverso una serie di gateway (pensate al gateway come alle antenne della rete telefonica mobile oppure anche al nostro wi-fi domestico) con una rete centralizzata, che fa perno sul Network Server (NS).
I gateway ricevono i segnali dai dispositivi LoRa e li inoltrano al NS. I messaggi possono essere a loro volta inoltrati dal NS ai dispositivi attraverso i gateway. Per le organizzazioni più grandi il Network Server può gestire molte centinaia di Gateway, nelle micro imprese il Network Server può risidere direttamente sul singolo gateway a cui fanno capo tutti i sensori.
Questo protocollo offre alcune caratteristiche chiave come:
- la gestione dell’autenticazione dei dispositivi,
- il controllo dell’alimentazione,
- la gestione dei canali e delle frequenze,
- il supporto per la classe A (dispositivi a bassa potenza e consumo energetico), classe B (dispositivi con programmazione sincronizzata), classe C (dispositivi con ricezione continua),
- la crittografia dei dati trasmessi.
In sintesi, il protocollo LoRaWAN assicura funzionalità di gestione, sicurezza e organizzazione dei dispositivi, consentendo loro di comunicare in modo efficiente quindi oggi non ha più senso parlare del solo LoRa ma si deve per forza di cose considerare il binomio LoRa/LoRaWAN.
I competitor di LoRa/LoRaWAN
LoRaWAN naturalmente non è l’unico attore presente sul mercato, fin dagli albori si è confrontato con SigFox a cui poi si sono aggiunti protocolli operanti su frequenze licenziate quali NB-IoT ed LTE-M, questi protocolli a loro volta hanno vantaggi e svantaggi, applicazioni preferenziali e costi differenti. In futuro scriveremo qualche riga in proposito.