Introduzione a lora e lorawan: cos'è lora e come funziona?

La comunicazione è una delle parti più importanti di qualsiasi progetto IoT. La capacità di una cosa di comunicare con altre "cose" (un dispositivo cloud / server) è ciò che conferisce alla "cosa" il diritto di associare "Internet" al suo nome. Sebbene esistano tonnellate di protocolli di comunicazione, a ciascuno di essi manca una cosa o l'altra che li rende "non del tutto adatti" per le applicazioni IoT. I problemi principali sono il consumo energetico, la portata / copertura e la larghezza di banda.

La maggior parte delle radio di comunicazione come Zigbee, BLE, WiFi, tra le altre, sono a corto raggio e altre come 3G e LTE, sono affamate di energia e la portata delle loro aree di copertura non può essere garantita soprattutto nei paesi in via di sviluppo. Sebbene questi protocolli e modalità di comunicazione funzionino per determinati progetti, comportano un'ampia limitazione come; difficoltà nell'implementazione di soluzioni IoT in aree senza copertura cellulare (GPRS, EDGE, 3G, LTE / 4G) e riduzione lorda della durata della batteria dei dispositivi. Quindi, prevedendo il futuro dell'IoT e la connessione di tutti i tipi di "cose", situate in tutti i tipi di luoghi, c'era bisogno di un mezzo di comunicazione su misura per l'IoT che supportasse i suoi requisiti di bassa potenza, significativamente a lungo raggio, economico, sicuro e facile da implementare. È qui che entra in gioco LoRa.

LoRa (che sta per Long Range) è una tecnologia di comunicazione wireless brevettata che combina un consumo energetico estremamente basso con un lungo raggio effettivo. Sebbene la portata dipenda fortemente dall'ambiente e dai possibili ostacoli (LOS o N-LOS), LoRa ha tipicamente una portata compresa tra 13 e 15 km, il che significa che un singolo gateway LoRa può fornire copertura per un'intera città e con un paio in più, un intero nazione. La tecnologia è stata sviluppata da Cycleo in Francia ed è emersa quando la società è stata acquisita da Semtech nel 2012. Abbiamo utilizzato moduli LoRa con Arduino e con Raspberry Pi e hanno funzionato come previsto.

Caratteristiche di LoRa

Una radio LoRa comprende alcune caratteristiche che le aiutano a ottenere una potenza effettiva a lungo raggio e un basso costo. Alcune di queste caratteristiche includono;

1. Tecnica di modulazione
2. Frequenza
3. Velocità dati adattive
4. Livelli di potenza adattivi

Modulazione

Le radio Lora utilizzano la tecnica di modulazione dello spettro diffuso del chirp per ottenere un raggio di comunicazione notevolmente elevato mantenendo caratteristiche di bassa potenza simili alle radio basate sullo strato fisico di modulazione FSK. Mentre la modulazione dello spettro diffuso del chirp esiste da un po 'di tempo con applicazioni nelle comunicazioni militari e spaziali, LoRa presenta la prima applicazione commerciale a basso costo della tecnica di modulazione.

Frequenza

Sebbene la tecnologia LoRa sia indipendente dalla frequenza, la comunicazione tra le radio LoRa avviene tramite l'uso di bande di radiofrequenza sub-GHz senza licenza disponibili in tutto il mondo. Queste frequenze variano da regione a regione e spesso differiscono anche da paese a paese. Ad esempio, l'868 MHz è comunemente utilizzato per le comunicazioni LoRa in Europa, mentre il 915 MHz è utilizzato in Nord America. Indipendentemente dalla frequenza, LoRa può essere utilizzato senza alcuna variazione significativa nella tecnologia.

Bande di frequenza per LoRa in diversi paesi

L'utilizzo di frequenze inferiori rispetto a quelle dei moduli di comunicazione come il WiFi basato sulle bande ISM a 2,4 o 5,8 GHz consente un'area di copertura molto più ampia soprattutto per le situazioni NLOS.

È importante notare che le autorizzazioni sono ancora richieste in alcuni paesi prima che le bande senza licenza possano essere utilizzate.

Velocità dati adattiva

LoRa utilizza una combinazione di larghezza di banda variabile e fattori di diffusione (SF7-SF12) per adattare la velocità dei dati in un compromesso con la gamma di trasmissione. Un fattore di diffusione più elevato consente una portata più lunga a scapito di una velocità di trasmissione dati inferiore e viceversa. La combinazione di larghezza di banda e fattore di diffusione può essere scelta in base alle condizioni del collegamento e al livello di dati da trasmettere. Pertanto, un fattore di diffusione più elevato migliora le prestazioni di trasmissione e la sensibilità per una data larghezza di banda, ma aumenta anche il tempo di trasmissione a causa di velocità di trasmissione dati inferiori. Questi possono variare da un minimo di 18 bps fino a 40 Kbp

Livello di potenza adattivo

Il livello di potenza utilizzato dalle radio LoRa è adattivo. Dipende da fattori come la velocità dei dati e le condizioni di collegamento tra gli altri. Quando è richiesta una trasmissione veloce, la potenza trasmessa viene spinta più vicino al massimo e viceversa. Pertanto, la durata della batteria viene massimizzata e la capacità di rete mantenuta. Il consumo energetico dipende anche dalla classe dei dispositivi tra molti altri fattori.

LoRaWAN

LoRaWAN è uno standard LPWAN (Wide Area Network) a lungo raggio, aperto e ad alta capacità, progettato per soluzioni IoT LoRa Powered da LoRa Alliance. Si tratta di un protocollo bidirezionale che sfrutta appieno tutte le caratteristiche della tecnologia LoRa per fornire servizi tra cui consegna affidabile dei messaggi, sicurezza end-to-end, localizzazione e capacità multicast. Lo standard garantisce l'interoperabilità delle varie reti LoRaWAN nel mondo.

Di solito c'è una confusione quando le persone cercano di definire LoRa e LoRaWAN che è probabilmente meglio risolto esaminando il modello dello stack di riferimento OSI.

In poche parole, sulla base del modello di stack OSI, LoRaWAN corrisponde al protocollo di accesso ai media per la rete di comunicazione mentre LoRa corrisponde al livello fisico. Così LoRaWAN definisce il protocollo di comunicazione e l'architettura di sistema per la rete, mentre l'architettura LoRa abilita il collegamento di comunicazione a lungo raggio. I due si sono fusi insieme per fornire la funzionalità che determina la durata della batteria di un nodo, la capacità della rete, la qualità del servizio, la sicurezza e altre applicazioni servite dalla rete. Sebbene LoRaWAN sia il livello MAC più popolare per LoRa, esistono anche altri livelli proprietari basati sulla tecnologia LoRa. Un buon esempio è Symphony link di Link Labs, sviluppato appositamente per applicazioni industriali.

L'architettura di rete LoRaWAN

Opposto alla topologia di rete mesh adottata dalla maggior parte delle reti, LoRaWAN utilizza l'architettura di rete a stella, quindi, piuttosto che avere ogni dispositivo finale in uno stato quasi sempre attivo, ripetendo la trasmissione da altri dispositivi per aumentare la portata, dispositivi finali nella rete LoRaWAN comunicano direttamente con i gateway e sono attivi solo quando devono comunicare con il gateway poiché la portata non è un problema. Questo è un fattore che contribuisce alle caratteristiche di bassa potenza e all'elevata durata della batteria ottenute nei dispositivi finali LoRa

L'architettura di rete LoRa comprende quattro parti principali;

1. Dispositivi finali

2. Gateway

3. Server di rete

4. Application Server

1. Dispositivi finali

Si tratta di sensori o attuatori ai margini della rete. I dispositivi finali servono diverse applicazioni e hanno requisiti diversi. Al fine di ottimizzare una varietà di profili delle applicazioni finali, LoRaWAN ™ utilizza tre diverse classi di dispositivi per le quali è possibile configurare i dispositivi finali. Le classi presentano compromessi tra la latenza della comunicazione in downlink e la durata della batteria del dispositivo.

Le tre classi principali sono;

1. Dispositivi finali bidirezionali (Classe A)

2. Dispositivi finali bidirezionali con slot di ricezione programmati (Classe B)

3. Dispositivi finali bidirezionali con slot di ricezione massimi (Classe C)

io. Dispositivi finali di classe A.

Si tratta di dispositivi che richiedono solo la comunicazione in downlink dal server immediatamente dopo un Uplink. Ad esempio, sono dispositivi che devono ricevere la conferma di consegna del messaggio dal server dopo un uplink. Per questa classe di dispositivi, devono attendere l'invio di un uplink al server prima di poter ricevere qualsiasi downlink. Di conseguenza, la comunicazione è mantenuta al minimo e quindi hanno il funzionamento a bassa potenza e la massima durata della batteria. Un buon esempio di dispositivi di classe A è uno Smart Energy Meter basato su LoRa

ii. Dispositivi finali di classe B.

A questi dispositivi vengono assegnate finestre di downlink extra a intervalli pianificati oltre al downlink ricevuto quando viene inviato un uplink (Classe A + un downlink aggiuntivo pianificato). La natura programmata di questo downlink garantisce che l'operazione sia ancora a bassa potenza poiché la comunicazione è attiva solo a intervalli programmati ma l'energia extra consumata durante il downlink programmato aumenta il consumo energetico oltre a quello dei dispositivi di Classe A, in quanto tali, hanno una batteria inferiore durata rispetto ai dispositivi finali di classe A.

iii. Dispositivi finali di classe C.

Queste classi di dispositivi non hanno limitazioni sul downlink. Sono progettati per essere quasi sempre aperti alle comunicazioni dal server. Consumano più energia rispetto alle altre classi e hanno la durata della batteria più bassa. Buoni esempi di dispositivi di classe C sono i dispositivi finali utilizzati nella gestione della flotta o nel monitoraggio del traffico reale.

2. Gateway

I gateway (noti anche come concentratori) sono dispositivi collegati al server di rete tramite connessioni IP standard che inoltrano messaggi tra il back-end del server di rete centrale e i dispositivi finali utilizzando il protocollo di comunicazione wireless single-hop. Sono progettati per supportare la comunicazione bidirezionale e sono dotati di multicast che consente al software di inviare messaggi di distribuzione di massa come aggiornamenti over-the-air.

Al centro di ogni gateway LoRa c'è un demodulatore LoRa multicanale in grado di decodificare tutte le varianti di modulazione LoRa su più frequenze in parallelo.

Per un operatore di rete su larga scala, i fattori distintivi chiave dovrebbero essere le prestazioni radio (sensibilità, potenza di invio), la connessione del chip SX1301 all'MCU del gateway (da USB a SPI o da SPI a SPI) e il supporto e la distribuzione di PPS segnale la cui disponibilità consente una sincronizzazione temporale precisa sull'intera popolazione di gateway in una rete

LoRa diffonde la comunicazione tra dispositivi finali e gateway su più canali di frequenza e velocità di trasmissione dati. La tecnologia a spettro diffuso utilizza velocità di trasmissione dati comprese tra 0,3 kbps e 50 kbps per evitare che le comunicazioni interferiscano tra loro e crea una serie di canali "virtuali" che aumentano la capacità del gateway.

Per massimizzare sia la durata della batteria dei dispositivi finali che la capacità complessiva della rete, il server di rete LoRa gestisce la velocità dei dati e l'uscita RF per ogni dispositivo finale individualmente attraverso uno schema ADR (Adaptive Data Rate).

3. Server di rete

Il server di rete Lora è l'interfaccia tra il server delle applicazioni e i gateway. Inoltra i comandi dal server delle applicazioni al gateway mentre trasporta i dati dai gateway al server delle applicazioni. Svolge funzioni tra cui la garanzia che non vi siano pacchetti duplicati, la pianificazione dei riconoscimenti e la gestione della velocità dei dati e dell'uscita RF per ciascun dispositivo finale individualmente utilizzando uno schema ADR (Adaptive Data Rate).

4. Application Server

Il server delle applicazioni determina per cosa vengono utilizzati i dati dai dispositivi finali. La visualizzazione dei dati, ecc. Probabilmente viene eseguita qui.

Sicurezza e privacy LoRaWAN

L'importanza della sicurezza e della privacy in qualsiasi soluzione IoT non può essere sottovalutata. Il protocollo LoRaWAN specifica la crittografia per garantire la sicurezza dei tuoi dati, concretamente

* Chiavi AES128 per dispositivo

* Rigenerazione / revoca istantanea delle chiavi del dispositivo

* Crittografia del payload per pacchetto per la privacy dei dati

* Protezione contro gli attacchi di replay

* Protezione contro gli attacchi man-in-the-middle

LoRa utilizza due chiavi; Le chiavi di sessione di rete e di sessione dell'applicazione forniscono entrambe comunicazioni suddivise e crittografate per la gestione della rete e la comunicazione dell'applicazione.

La chiave di sessione di rete, condivisa tra il dispositivo e la rete, è responsabile dell'autenticazione dei dati del nodo finale mentre la chiave di sessione dell'applicazione, condivisa tra l'applicazione e il nodo finale, è responsabile di garantire la privacy dei dati del dispositivo.

Caratteristiche principali di LoRAWAN

*> 160 dB link budget

* +20 dBm di potenza TX

* Eccezionale IIP3

* Miglioramento della selettività di 10 dB rispetto all'FSK

* Tollerante alle interferenze burst nel canale

* Corrente RX più bassa: 10 mA

* Corrente di sonno più bassa

* Sveglia ultraveloce (sleep to RX / TX)

Vantaggi di LoRa

Di seguito sono riportati alcuni dei vantaggi associati a LoRa;

1. Lunga portata e copertura: con una portata LOS fino a 15 km, la sua portata non può essere paragonata a quella di qualsiasi altro protocollo di comunicazione.

2. Bassa potenza: LoRa offre radio a bassa potenza che le rende ideali per dispositivi che richiedono una durata di 10 anni o