LoRaWAN è di base una LPWAN (Low Power Wide Area Network) cioè una rete di telecomunicazione wireless progettata per consentire comunicazioni a lungo raggio e basse velocità di trasmissione (bit rate) tra dispositivi elettronici.

LoRaWAN

Questa tecnologia di trasmissione si distingue per i bassi costi di implementazione, per una comunicazione sicura e bidirezionale, per consumi relativamente bassi e per il supporto di reti di grandi dimensioni con milioni e milioni di dispositivi.

 

LoRaWAN nace da LoRa, un formato di modulazione unico (ed eccezionale) che rappresenta unicamente il livello fisico della comunicazione. Questa modulazione si chiama “Chirp Spread Spectrum” ed è stata sviluppata originariamente per applicazioni radar fin dagli anni ’40 per poi essere adottata in diverse applicazioni di comunicazione in ambito militare. I punti di forza di questo tipo di modulazione sono la potenza relativamente bassa e l’elevata robustezza intrinseca a meccanismi di degrado del canale di comunicazione
da interferenze come il multipath fading, l’effetto Doppler e l’in-band jamming.

 

Cos’è LoRaWAN?
  • LoRaWAN è un’applicazione lato server su un protocollo di accesso multiplo progettato per ridurre al minimo le collisioni con un gran numero di dispositivi. Richiede un’applicazione server per eseguire le funzioni MAC su una connessione di rete.
  • L’architettura di rete di LoRaWAN è tipicamente definita con una topologia a stella di stelle in cui i gateways sono un ponte trasparente che trasmette i messaggi tra i dispositivi finali e un server di rete centrale nel backend.
  • La logica del cliente è incorporata nel server di rete.
  • È stato progettato principalmente per applicazioni di ricezione dati da molti dispositivi o applicazioni in cui sono richiesti solo pochi messaggi verso i dispositivi.
  • I gateways all’interno della stessa rete richiedono una sincronizzazione.
  • La comunicazione tra dispositivi finali e gateways è distribuita su diversi canali di frequenza e diverse velocità di trasmissione dati. La scelta della velocità di trasmissione è il risultato di un compromesso tra duty cycle e durata del messaggio stesso.
  • Differenti velocità di trasmissione dati non interferiscono tra loro e creano un insieme di canali “virtuali” che aumentano la capacità dei gateways.
  • Il server di rete LoRaWAN gestisce la velocità di trasmissione e l’uscita RF per ciascun dispositivo finale singolarmente mediante un regime ADR (Adaptive Data Rate) che viene tipicamente aggiornato una volta ogni 24 ore.
  • Più livelli di protezione / crittografia (chiave EUI64 a livello di rete e di applicazione e chiave EUI128 specifica del dispositivo).
  • AES CCM (128 bit) per la crittografia e l’autenticazione.
  • Funziona con duty cycle confinato tra ETSI 1% e 10% relativamente al tempo di trasmissione nelle bande 868MHz.

 

Regolamentazione della banda 868MHz

In Europa per LoRaWAN è in uso comunemente la banda ISM 863 – 870MHz (esiste ma è meno usata anche la banda a 433MHz). Questa banda è regolamentata in linea generale dalla normativa Europea ERC-REC-70-3E che ne limita la potenza di trasmissione ed il tempo di trasmissione (duty cycle).

La banda 868MHz comprende, per LoRaWAN, la gamma di frequenze che va da 865MHz a 870MHz ed è suddivisa in 5 diverse sotto bande dove si applicano regole diverse che si basano su 2 restrizioni:

  • Potenza di trasmissione – è la potenza massima che un trasmettitore può utilizzare sul canale durante la comunicazione. Il valore di potenza comunemente utilizzato con LPWAN è 25mW (equivalente a 14dB).
  • Il ciclo di servizio (duty cycle) – è definito come il massimo tempo di trasmissione per ogni ora di servizio. Ad esempio, un duty cycle dell’1% sta ad indicare che si può trasmettere  per 36 secondi complessivi ogni ora, non di più.

 

L’alternativa a LoRaWAN

Attualmente oltre a LoRaWAN, promossa dall’associazione no-profit The LoRa Alliance™, esiste un’alternativa commerciale che si chiama Sigfox. Sigfox è una società Francese che rende disponibile una rete simile a LoRaWAN, operante sulle stesse frequenze, che sfrutta le infrastrutture wireless già presenti sul territorio Europeo/Americano (grazie ad accordi con gli operatori locali e proprietari Sigfoxdelle torri di telecomunicazioni). Questo le ha permesso una copertura iniziale molto alta (in Italia attualmente circa il 70%) ma di contro il servizio non è gratuito perché per avere accesso ai dati del proprio dispositivo è richiesto il pagamento di un canone annuale (non altissimo) .

 

La seguente tabella riassume le 2 restrizioni della banda 868MHz secondo la normativa Europea ERC-REC-70-3E

SottobandeFrequenza (MHz)PotenzaDuty CycleNote
g863,00 - 868,0025mW1%
g1868,00 - 868,6025mW1%LoRaWAN / Sigfox
g2868,70 - 869,2025mW0,1%
g3869,40 - 869,65500mW10%Downlink LoRaWAN
g4869.70 - 870.0025mW1%

La zona più interessante è la seconda, 868,00 – 868,60. Su questi 600kHz abbiamo i 2000 canali Sigfox e i 3 canali LoRaWAN standard.

 

…le altre zone

La prima zona 865-868 è una banda a 25mW / 1% ed è un’ampia area per aggiungere canali LoRa, ma è anche una zona utilizzata attualmente dall’RFID.

La zona 868,70 – 869,20 è un’area a 25 mW, ma il duty cycle è solo 0,1%. Questa zona può essere interessante per comunicare una volta al giorno: il rischio di collisione è veramente basso e di conseguenza anche il potenziale numero di ritrasmissioni. In questa banda quindi si potranno ottenere i consumi più bassi.

La zona 869,40 – 869,65 è particolarmente interessante in quanto è possibile comunicare con 500mW di potenza e con duty cycle del 10%. Non è sicuramente adatto a dispositivi alimentati a batteria ma da un punto di vista di rete centrale è un ottimo canale per il downlink. Il gateway può comunicare così a grande distanza e restare in ascolto per i dispositivi locali; un duty cycle così alto consente al gateway di comunicare con molti più oggetti.

L’ultima zona da 869,70 a 870.00 è l’ultima zona da 25mW / 1% in cui è possibile distribuire ulteriori canali LoRaWAN.

Attualmente l’area sfruttata maggiormente da Sigfox e LoRaWAN è quella da 868,00 a 868,60.

 

Utilizzo della banda 868,00 – 868,60

In questa zona abbiamo 200KHz utilizzati da Sigfox per distribuire i 2000 canali offerti dalla loro tecnologia (2000 x 100Hz = 200KHz). Nella stessa posizione abbiamo il primo canale di 125KHz di LoRaWAN centrato su 868,10 e poi due ulteriori canali predefiniti su 868,30 e 868,50. Questa banda di frequenze è globalmente utilizzata da queste soluzioni LPWAN in maniera totale..

 

In questa zona il duty-cycle per qualsiasi comunicazione tra 868,00 e 868,60 è dell’1%, quindi anche se le tecnologie dispongono di diversi canali, il duty cycle si applica sulla banda globale. Per Sigfox questo comporta un tempo massimo di trasmissione di 36 secondi ogni ora. Quindi se una trasmissione di 12 byte impiega 6 secondi per l’invio, si potrà impegnare la banda per un massimo di 10 comunicazioni ogni ora.

 

…mentre per LoRaWAN

Per LoRaWAN, la situazione è diversa: il duty-cycle è gestito per canale e il dispositivo usa i canali uno dopo l’altro. Di conseguenza, il duty-cycle deve essere diviso per il numero di canali nella stessa banda. Poiché la configurazione standard ha 3 canali nella stessa sotto banda, il duty-cycle di ciascun canale è 0,33%. Tuttavia, se assegnate alcuni canali ad un’altra banda (ad esempio 869,70 – 870,00) si può impostare un duty cyle del 1% su questo. Quindi il tuo dispositivo potrà comunicare con un duty cyle di 3 × 0,33% su una banda più un 1% sull’altra banda. Teoricamente è possibile comunicare con duty cycle al 2% (e fino al 3%) con questo meccanismo.