Cosa sono LoRa e LoRaWAN?

Le reti LoRaWAN si stanno diffondendo tra le diverse applicazioni IoT e i settori verticali, per cui è opportuno indagare sul loro utilizzo, sulle loro caratteristiche e sulle loro operazioni. In questo articolo, discuteremo cosa sono LoRa e LoRaWAN singolarmente e le principali differenze tra loro. Successivamente, discuteremo in dettaglio come realizzare reti LoRaWAN basate sullo schema di modulazione LoRa RF. Infine, concludiamo il nostro articolo identificando le diverse applicazioni potenziali dei dispositivi basati su LoRa e i loro vantaggi rispetto agli altri protocolli di communicazione IoT disponibili. 

Che cos'è LoRa?

LoRa è l'acronimo di "Long Range Wide Area" ed è uno schema di modulazione radio popolare nella realizzazione di communicazione radio a basso consumo e a lungo raggio. È uno dei più diffusi schemi di modulazione radio utilizzati per l'Internet of Things (IoT) a lungo raggio e per le telecomunicazioni. Da macchina a macchina (M2M). Sebbene LoRa sia presente da tempo, recentemente ha acquisito molta popolarità grazie ai chipset che consentono la modulazione radio LoRa.  

La cosa più importante da ricordare è che LoRa si riferisce al livello fisico o al livello fisico radio, pertanto LoRa da solo non è in grado di realizzare operazioni di rete e gestire il traffico di rete nelle applicazioni IoT. La gamma di frequenze di funzionamento di LoRa dipende dalla posizione geografica di implementazione. Ad esempio, nel contesto europeo, LoRa opera in 868 MHz mentre in Nord America è 915 MHz Inoltre, in condizioni di linea di vista (LOS), il collegamento di comunicazione comm può essere esteso fino a 10 km con la modulazione radio LoRa. Tuttavia, è da notare che LoRa utilizza uno spettro radio proprietario privo di licenza.  

Che cos'è LoRaWAN?

LoRaWAN, invece, si riferisce alle strutture di rete, che includono i protocolli di rete e la gestione del traffico, che utilizzano la modulazione radio LoRa per consentire la communicazione a lungo raggio. La LoRaWAN o LoRa Wide Area Network facilita il livello di rete e quindi è maggiormente richiesta nelle applicazioni IoT industriali. È classificata come LPWAN (Low Power WAN) non cellulare. In parole povere, possiamo dire che LoRaWAN è una rete che utilizza LoRa. È gestita da LoRa Alliance, che consente ai dispositivi di communicare in modalità wireless utilizzando LoRa.  

La differenza tra LoRa e LoRaWAN

Dopo aver discusso separatamente LoRa e LoRaWAN, vale la pena sottolineare brevemente la differenza principale tra LoRa e LoRaWAN. Come già accennato, LoRa da solo facilita le strutture fisiche in communicazione, mentre LoRaWAN fornisce capacità di livello di rete che forniscono un'architettura di rete full-stack. LoRa è stato inizialmente brevettato sotto Semtech, un produttore francese di semiconduttori, mentre LoRaWAN è stata formulata da Alleanza LoRa.  

Di conseguenza, LoRa è semplicemente un protocollo di communicazione radio che consente di operare a lungo raggio, mentre LoRaWAN è la rete che utilizza il protocollo LoRa per realizzare applicazioni IoT LPWAN.  

Tecnologia e architettura LoRaWAN

Avendo una chiara comprensione della differenza tra LoRa e LoRaWAN, ci concentreremo ora su ciascuno dei due approcci separatamente. Per cominciare, ci concentreremo sulla tecnologia LoRaWAN e sulla sua architettura.  

La rete LoRaWAN è distribuita con una topologia di rete a stella, in cui un hub o nodo centrale è responsabile della gestione della communicazione e dell'interconnessione nella rete. Una tipica rete LoRaWAN è costituita dai seguenti componenti:  

1. Unirsi al server  
2. Server di applicazioni  
3. Server di rete  
4. Concentratore/Gateway  
5. Nodi finali/dispositivi  

1. Unire i server

I server di adesione sono responsabili della gestione delle richieste di adesione inviate dai dispositivi finali quando si uniscono alla rete tramite il server di rete. Viene mantenuto come software in un server, che sovrintende all'attivazione over-the-air (OTA) del dispositivo finale, garantendone così l'attivazione sicura. Il processo di attivazione tramite il server di connessione viene avviato dal dispositivo finale, inviando i frame di richiesta di connessione in uplink al server di connessione. Quindi, il join server segnala al server di rete quale application server deve essere connesso al dispositivo finale richiesto. Questo viene communato dai frame di join-accept in downlink. Inoltre, il dispositivo di join è responsabile della conservazione delle seguenti informazioni su ciascun dispositivo finale della rete:  

• Profilo di servizio del dispositivo finale  
• DevEUI - Si tratta di un identificatore univoco per ogni dispositivo finale.  
• Appkey - È la chiave di crittografia dell'applicazione.  
• NwkKey - È la chiave di crittografia di rete.  
• Identificatore del server applicativo  

2. Server applicativi

I server applicativi sono responsabili della gestione dei dati dei sensori e delle applicazioni inviati dai dispositivi finali. Questi dati vengono poi presentati all'interfaccia utente per prendere decisioni e interpretare i risultati sulla base di essi. L'application server è anche responsabile della generazione di informazioni sul payload in downlink per i dispositivi finali connessi, che vengono instradate attraverso il server di rete. In una rete LoRaWAN può essere presente più di un application server e qualsiasi livello di analisi ed elaborazione viene eseguito sopra l'application server. Gli algoritmi di apprendimento automatico, le tecniche di elaborazione dei dati e le analisi aziendali sono alcuni dei processi che possono essere eseguiti dal livello applicativo. 

3. Server di rete

Il server di rete LoRaWAN (LNS) svolge un ruolo fondamentale nella realizzazione e nella gestione dell'intera rete. Esistono alcune caratteristiche comuni ai server di rete di tutte le reti LoRaWAN. Alcune delle caratteristiche principali sono: 

• LNS è responsabile di garantire connessioni sicure con crittografia AES a 128 bit per la communicazione dei messaggi, garantendo così la sicurezza end-to-end. 
• Controllo dell'autenticità e dell'integrità dei dispositivi finali collegati alla rete 
• Controllo dell'indirizzo del dispositivo, per un trasporto accurato dei messaggi in tutta la rete 
• Impiegare il protocollo ADR (Adaptive Data Rate) per facilitare l'adattamento della velocità dei dati, ottimizzando così la velocità dei dati dei dispositivi finali. 
• LNS determina il gateway migliore per l'instradamento dei messaggi in downlink ai dispositivi finali 
• Inoltra i messaggi di join-request e join-accept tra i dispositivi finali e il server di join. 
• Inoltrare i payload delle applicazioni in uplink al server applicativo pertinente e gestire i payload in downlink provenienti da server applicativi diversi, che vengono poi inoltrati ai dispositivi finali pertinenti. 
• Gestione di tutti i livelli MAC (Media Access Control) commands 
• Gestione di tutti i messaggi di uplink, tra cui la loro duplicazione, il riconoscimento della corretta ricezione 

4. Concentratore/Gateway

I gateway o concentratori sono dispositivi responsabili della ricezione dei messaggi dai dispositivi finali e del loro inoltro al server di rete. Sono collegati a segnali radio modulati LoRa a valle (cioè ai dispositivi finali) e a una connessione basata su IP a monte (cioè al server di rete). Questa connessione a monte è backhaulata da una connessione cellulare (4G,3G, 5G ecc.), Wi-Fi, Ethernet o anche tramite una connessione in fibra ottica. Poiché il Gateway LoRaWAN non sono direttamente associati ai dispositivi finali, ma possono ricevere informazioni da più dispositivi finali. Questo fa sì che i gateway ricevano dati duplicati. Tuttavia, questi dati duplicati vengono gestiti dal server di rete. L'unica funzionalità del gateway rispetto ai dati ricevuti è quella di verificarne l'integrità utilizzando diversi schemi di rilevamento degli errori (ad esempio, CRC). I gateway misurano anche l'RSSI (Received Signal Strength Indicator) dei messaggi provenienti da diversi dispositivi finali per aiutare il server di rete a de-duplicare i pacchetti provenienti da più dispositivi finali. Nel caso della communicazione downlink, cioè l'invio di dati dal server di rete ai dispositivi finali, un gateway si limita a passare i dati al dispositivo finale di destinazione senza alcuna elaborazione aggiuntiva. I gateway LoRaWAN sono di due tipi: 

• Gateway per interni: Si tratta di soluzioni economiche molto più adatte a luoghi interni in cui è richiesta una copertura limitata. Di solito l'antenna è costruita internamente, ma a seconda delle esigenze possono essere costruite anche antenne esterne. 
• Gateway per esterni: Forniscono una copertura più ampia e di solito sono montati a un'altezza considerevole. Sono inoltre dotati di un'antenna esterna. 

5. Nodi finali/dispositivi

Lo stack tecnologico delle reti LoRaWAN può essere realizzato utilizzando un modello a tre livelli composto da: 

• Livello applicazione 
• Livello MAC 
• Livello fisico 

Il livello Applicazione è responsabile della gestione dei dati dei sensori e dell'invio di command agli attuatori collegati. Fornisce inoltre un'interfaccia utente per interagire con la rete. 

Il livello MAC è responsabile di stabilire la connessione tra i gateway LoRaWAN e i dispositivi finali. Le classi dei dispositivi sono determinate in questo livello, che comprende anche diverse opzioni che il progettista può determinare in base all'applicazione. 

Il livello fisico si basa sullo schema di modulazione LoRa RF e la frequenza modulata è determinata in base alla banda ISM (Industrial, Scientific, and Medical) regionale. 

Classi di dispositivi LoRaWAN 

I dispositivi di rete LoRaWAN sono suddivisi in tre classi a seconda delle modalità di funzionamento: 

• Classe A 
• Classe B 
• Classe C 

Nella modalità operativa di Classe A, un dispositivo finale invia un messaggio di uplink seguito da due brevi finestre di messaggi di downlink. Ogni finestra di downlink è ritardata di un ritardo diverso rispetto alla fine del messaggio di uplink. Ora il server di rete può inviare un messaggio di downlink solo durante queste due finestre di ricezione; se non riesce a farlo, la successiva trasmissione di downlink sarà disponibile dopo la successiva trasmissione di uplink. Inoltre, se il server di rete è riuscito a inviare la trasmissione downlink durante la prima finestra di ricezione, il dispositivo finale non aprirà una seconda finestra di ricezione. I dispositivi di classe A sono spesso alimentati a batteria e hanno un'elevata latenza di downlink. Sono più adatti per il monitoraggio ambientale e le applicazioni di localizzazione che favoriscono lo stato di inattività. Tutti i dispositivi LoRaWAN devono supportare il funzionamento in classe A. 

Rispetto ai dispositivi di Classe A, i dispositivi di Classe B offrono finestre di ricezione programmate. Queste finestre di ricezione programmate sono messaggi beacon sincronizzati nel tempo trasmessi dal gateway. In questo modo si ottiene una latenza di downlink inferiore rispetto ai dispositivi di Classe A. Si prevede che i dispositivi ricevano i messaggi di downlink in determinati slot di ping dopo aver ricevuto ciascun messaggio beacon dai gateway. Tuttavia, un aspetto negativo della modalità di funzionamento di Classe B è che ora il dispositivo è in uno stato attivo per un tempo considerevole, riducendo così la durata della batteria del dispositivo. Tuttavia, i dispositivi di Classe B sono utilizzati sia per il monitoraggio che per l'attuazione di applicazioni IoT. Ad esempio, sono utilizzati nei contatori e nelle applicazioni di rilevamento della temperatura. 

I dispositivi di classe C sono "sempre" in ascolto dei messaggi downlink in arrivo, a meno che non stiano trasmettendo (trasmissione uplink). Questo li rende dispositivi che consumano più energia e di solito sono collegati alla rete elettrica. Tuttavia, uno dei principali vantaggi dei dispositivi di Classe C è che impongono una bassa latenza di downlink rispetto alle loro controparti. Alcune delle applicazioni più diffuse che utilizzano i dispositivi di Classe C sono i lampioni e i contatori elettrici con interruttori. 

Sicurezza della rete LoRaWAN

La sicurezza è un fattore importante nel contesto delle applicazioni IoT, che di solito trattano informazioni sensibili. Di seguito sono riportate le principali misure di sicurezza osservate in una rete LoRaWAN: 

• Procedura di adesione 
• Autenticazione del messaggio 
• Dispositivo Commizzazione 

Queste misure di sicurezza di rete assicurano la protezione della rete contro gli attacchi di terzi e garantiscono l'integrità dei dispositivi collegati senza compromettere informazioni preziose. Inoltre, garantiscono la gestione del traffico di dati nella rete, data la limitazione delle risorse della rete stessa. 

La procedura di adesione è la procedura in cui i dispositivi finali sono connessi al server applicativo pertinente per mezzo del server di adesione. Inizialmente il dispositivo finale invia una richiesta di connessione al server di connessione, che viene autenticata dal server di connessione. Dopo l'autenticazione, il join server invia il messaggio di accettazione del join al dispositivo finale, consentendo la connessione tra il dispositivo finale e l'application server in questione. Dopo l'accettazione della connessione, sia il dispositivo finale che il join server generano chiavi di sessione individuali in base ai metadati ricevuti. Il join server condivide le proprie chiavi di sessione con la rete e i server applicativi. Durante la trasmissione, il traffico di dati è protetto da due livelli di sicurezza distinti. Il dispositivo finale avrà una diversa chiave di sessione applicativa a 128 bit condivisa con il server applicativo, diversa dalla chiave di sessione di rete AES a 128 bit condivisa con il server di rete. In questo modo né il gateway né il server di rete possono leggere direttamente i dati dell'utente trasmessi tra il dispositivo finale e il server applicativo. 

La rete LoRaWAN eredita la capacità di autenticazione dei messaggi grazie alle opzioni del livello MAC, che vengono autenticati a livello di gateway prima di essere trasmessi al server di rete. Inoltre, la commivazione dei dispositivi è obbligatoria nelle reti LoRaWAN. Le reti LoRaWAN prevedono due tipi di attivazione dei dispositivi: 

• Attivazione via etere (OTA) 
• Attivazione tramite personalizzazione (ABP) 

L'utente avrebbe la possibilità di scegliere tra entrambe le opzioni, ma l'opzione preferita è quella OTA. 

Modulazione LoRa

In tutto l'articolo abbiamo discusso le proprietà della rete LoRaWAN, in questa sezione discutiamo brevemente dello schema di modulazione LoRa RF e di alcune importanti proprietà di LoRa. LoRa è uno schema di modulazione a spettro diffuso proprietario basato su Chirp Spread Spectrum (CSS). LoRa mira a realizzare una comunicazione a bassa velocità di trasmissione e a bassa velocità di dati. Poiché si basa sul meccanismo CSS, aumentando il tasso di chirp è possibile aumentare la portata della communicazione. Dal momento che il fattore di diffusione aumenta con l'aumento della frequenza di chirp, ci si potrebbe interrogare sulla possibile interferenza delle componenti di frequenza. Tuttavia, LoRa utilizza uno spreading ortogonale dei chirp, evitando la collisione di diverse componenti di frequenza. Ciò garantisce anche la robustezza dei segnali LoRa, rendendoli immune al multipath fading. Immunità al multipath fading rende LoRa un candidato adatto per l'ambiente urbano, dove la propagazione del multipath è prominente. La larghezza di banda per LoRa è di 125 KHz o 500 KHz (per l'uplink) e 500 KHz (per il downlink) e, a seconda della regione di funzionamento, lo spettro di frequenza cambia. 

Alleanza LoRa

LoRa Alliance è un'organizzazione aperta e senza scopo di lucro il cui obiettivo è realizzare applicazioni IoT di massa con l'adozione di reti LoRaWAN basate sulla modulazione LoRa RF. LoRa Alliance collabora con oltre 150 operatori di rete LoRaWAN a livello globale con più di 500 aziende, garantendo così una copertura globale. Ciò rende le reti LoRaWAN un candidato interessante per le applicazioni IoT di massa in un contesto globale. Una mappa della copertura di rete che mostra l'attuale copertura globale e gli attuali settori verticali con applicazioni basate su LoRa è accessibile tramite: https://lora-alliance.org/ . 

Vantaggi e svantaggi di LoRaWAN

Le reti LoRaWAN sono diventate popolari per molti motivi, in quanto offrono numerosi vantaggi nel contesto dell'IoT e delle applicazioni massive IoT. Alcuni dei principali vantaggi di LoRaWAN sono: 

• Le reti LoRaWAN consumano poca energia, poiché i dispositivi basati su LoRa sono ottimizzati per un basso consumo energetico.  
• I dispositivi basati su LoRa hanno una lunga durata della batteria 
• Grazie all'uso della modulazione LoRa RF basata su CSS, le reti LoRaWAN possono espandersi fino a un'ampia portata. Si tratta di circa 10 km in ambiente rurale e di circa 3 km in ambiente urbano. 
• Grazie alla presenza di organismi standardizzati come LoRa Alliance, i dispositivi basati su LoRa sono diffusi a livello globale e sono facilmente accessibili. 
• Le caratteristiche di sicurezza intrinseche dei dispositivi basati su LoRa rappresentano un altro vantaggio delle reti LoRaWAN. Queste reti utilizzano anche tecniche di crittografia AES a 128 bit.  

Nonostante le sue caratteristiche interessanti, le reti LoRaWAN non sono sempre l'opzione migliore. Le reti LoRaWAN sono in grado di gestire solo basse velocità di trasmissione dati e possono trasmettere pochi campioni di dati in un determinato momento. Pertanto, è necessario codificare i tipi di dati, come il testo, in formato binario, per essere all'altezza della capacità di carico ridotto delle reti LoRaWAN. Inoltre, le reti LoRaWAN non sono ideali per gestire dati in tempo reale, poiché i dispositivi basati su LoRa possono inviare dati in determinati intervalli di tempo. 

Quando utilizzare LoRa e LoRaWAN? (Applicazioni) 

LoRa e LoRaWAN sono adatti per realizzare applicazioni IoT e massive IoT che richiedono le seguenti caratteristiche: 

• Basso costo di implementazione 
• Basso consumo energetico 
• Larghezza di banda ridotta e trasmissione di piccoli carichi utili 
• Sicurezza e lunga autonomia di funzionamento 

Queste caratteristiche sono evidenti in aree quali: 

• Applicazioni di parcheggio intelligenti 
• Applicazioni di monitoraggio ambientale e di misurazione delle utenze 
• Tracciamento della posizione 
• Illuminazione stradale  
• Applicazioni agricole e gestione del bestiame 
• Applicazione di previsione delle catastrofi, come la previsione dei terremoti 

Tuttavia, le reti LoRa e LoRaWAN non sono il candidato ideale per applicazioni come le case connesse e le applicazioni domestiche automatizzate che richiedono l'elaborazione dei dati in tempo reale e il controllo di diversi attuatori. Anche le applicazioni basate su LoRa non sono le migliori per applicazioni che richiedono larghezze di banda maggiori, come la trasmissione di immagini o video. 

Conclusione

In conclusione, LoRa è lo schema di modulazione RF che costituisce il livello fisico principale dello stack di rete LoRaWAN. Inoltre, con la presenza di organismi standardizzati come LoRa Alliance, le reti LoRaWAN stanno diventando popolari per le applicazioni massive IoT e IoT a basso consumo e a lungo raggio.