Come funziona LoRaWAN?

LoRaWAN è il modo consueto per collegare dispositivi a batteria su distanze di chilometri senza un operatore di telefonia mobile. Una sonda per l’umidità del suolo, un contatore dell’acqua in un seminterrato, un sensore di parcheggio sotto l’asfalto o un tracker su un pallet possono inviare pochi byte più volte al giorno a un gateway distante e funzionare per anni con una piccola batteria. Il prezzo è che quei pochi byte sono tutto ciò che si ottiene, e far arrivare un messaggio al dispositivo è lento e limitato.

Il nome unisce due cose che spesso si confondono. LoRa è la modulazione radio fisica, una tecnica proprietaria a spettro espanso con chirp (chirp spread spectrum) di proprietà di Semtech. LoRaWAN è il protocollo di rete aperto costruito sopra, specificato dalla LoRa Alliance, che definisce come i dispositivi entrano nella rete, come i messaggi vengono indirizzati e protetti e come gateway e server cooperano. Questa guida tratta entrambi e si chiude con i casi in cui LoRaWAN è la scelta giusta.

Come funziona la radio LoRa?

LoRa trasmette nelle bande ISM sub-GHz non licenziate, intorno a 868 MHz in Europa e 915 MHz in Nord America come stabilito nei parametri regionali della LoRa Alliance. I segnali sub-GHz viaggiano più lontano e penetrano meglio gli edifici rispetto a quelli a 2,4 GHz, ed è in parte per questo che la portata è così lunga.

L’altra parte è la modulazione. Lo spettro espanso con chirp distribuisce ogni simbolo su una banda ampia, il che permette a un ricevitore di decodificare segnali ben al di sotto del rumore di fondo. Lo spreading factor, da SF7 a SF12, controlla quanta espansione viene applicata. Uno spreading factor più alto significa una trasmissione più lunga e più lenta, ricevibile da più lontano, al prezzo di più tempo in aria, più energia per messaggio e un payload massimo più piccolo. Un dispositivo vicino a un gateway può usare SF7 e finire in una frazione di secondo; uno al limite della copertura usa SF12 e impiega più di un secondo per inviare qualche decina di byte.

Le trasmissioni a spreading factor diversi sono quasi ortogonali, quindi un gateway può riceverne diverse contemporaneamente sullo stesso canale e servire migliaia di dispositivi che trasmettono di rado.

Com’è organizzata una rete LoRaWAN?

Una rete LoRaWAN è una topologia a stella con una particolarità. I dispositivi trasmettono in broadcast; ogni gateway nel raggio di portata riceve il pacchetto e lo inoltra su un backhaul IP a un network server. I gateway sono packet forwarder senza stato, con una buona radio e un orologio preciso. Il network server elimina i duplicati dei pacchetti ricevuti da più gateway, sceglie il gateway migliore per ogni downlink, gestisce indirizzi e data rate e passa il payload applicativo a un application server.

La separazione conta. Un dispositivo non è associato a nessun gateway in particolare, quindi la copertura migliora semplicemente aggiungendo gateway, e un dispositivo in movimento non ha bisogno di alcun handover. Ogni dispositivo ha un DevEUI univoco a livello globale e, dopo l’ingresso nella rete, un indirizzo di rete corto usato in aria per mantenere piccoli i frame.

Quali sono le classi di dispositivo LoRaWAN?

La specifica LoRaWAN definisce tre classi che stabiliscono come un dispositivo resta in ascolto del downlink.

La Classe A è quella di base e a consumo più basso. Il dispositivo trasmette ogni volta che ha dati e poi apre due brevi finestre di ricezione. Il server può inviare un downlink solo in una di quelle finestre, quindi un comando raggiunge il dispositivo solo dopo il suo uplink successivo. Per un sensore che riporta ogni ora, è un’ora di latenza.

La Classe B aggiunge finestre di ricezione programmate, sincronizzate da un beacon del gateway, con una latenza di downlink limitata al prezzo di un po’ di energia in più.

La Classe C tiene il ricevitore aperto quasi di continuo, il che consente downlink in qualsiasi momento ma richiede l’alimentazione dalla rete elettrica. I lampioni e gli attuatori usano la Classe C.

La maggior parte dei dispositivi installati è di Classe A, e la scelta della classe determina se un dispositivo LoRaWAN può essere controllato da remoto in tempi utili.

Come vengono attivati e protetti i dispositivi?

Un dispositivo entra nella rete in uno di due modi. L’attivazione over-the-air (OTAA) è il metodo raccomandato: il dispositivo conserva una chiave radice installata in fabbrica ed esegue un handshake di join che deriva chiavi di sessione nuove. L’attivazione per personalizzazione (ABP) scrive in modo fisso nel dispositivo le chiavi di sessione e l’indirizzo, il che è più semplice ma lascia le chiavi statiche per tutta la vita del dispositivo.

LoRaWAN 1.0.x usa due chiavi di sessione AES-128 (LoRaWAN 1.1 divide la chiave di rete in più chiavi con ruoli separati di integrità e cifratura). Una chiave di sessione di rete autentica i frame tra dispositivo e network server. Una chiave di sessione applicativa cifra il payload end-to-end tra dispositivo e application server, così un operatore di rete non può leggere i dati. I contatori di frame proteggono dagli attacchi replay. Il join server, che custodisce le chiavi radice, può essere gestito separatamente dal network server, il che permette a un dispositivo di passare da una rete all’altra in roaming senza condividere la sua chiave radice.

Portare la chiave radice sul dispositivo in modo sicuro, idealmente in un secure element, è il principale compito pratico di sicurezza.

Cosa limita capacità, duty cycle e payload?

LoRaWAN è progettato per messaggi piccoli e poco frequenti, e tre vincoli lo impongono.

Le normative regionali per le bande non licenziate limitano quanto tempo in aria può usare un trasmettitore. In Europa le sotto-bande comuni permettono a un trasmettitore di stare in aria solo per una piccola frazione del tempo, il che agli spreading factor alti significa una manciata di messaggi all’ora. I gateway sono soggetti agli stessi limiti, ed è per questo che i downlink sono scarsi.

Il payload massimo dipende dal data rate e dalla regione: i parametri regionali consentono appena 11 byte al data rate più lento del Nord America e circa 50 byte a quello più lento europeo, fino a poco più di 200 byte ai data rate più veloci. Chi progetta le applicazioni comprime in modo aggressivo: campi binari, interi scalati, niente JSON.

L’adaptive data rate (ADR) permette al network server di dire a un dispositivo fisso di abbassare il proprio spreading factor quando la qualità del segnale lo consente, il che riduce il tempo in aria, risparmia batteria e aumenta la capacità della rete. I dispositivi in movimento di solito disattivano l’ADR perché le condizioni cambiano troppo in fretta.

Gli aggiornamenti del firmware via LoRaWAN sono possibili ma lenti, quindi le strategie di aggiornamento OTA per le flotte LoRaWAN si basano su rilasci poco frequenti e testati con cura.

Cosa sono le reti pubbliche, private e comunitarie?

Lo stesso protocollo gira in tre modelli di installazione. Una rete privata, in cui un’organizzazione installa i propri gateway e gestisce o noleggia un network server, è adatta a un’azienda agricola, una fabbrica, un campus o una utility che vuole il controllo e nessun canone per dispositivo. Le reti pubbliche degli operatori vendono copertura come fa un operatore di telefonia mobile, comode quando hai pochi dispositivi sparsi su un’area vasta. Le reti comunitarie, costruite con gateway messi a disposizione da volontari, coprono molte città senza canone ma senza garanzie. La possibilità di partire con tre gateway e crescere è ciò che distingue LoRaWAN dalle opzioni LPWAN cellulari.

Quando LoRaWAN è adatto, e quando no?

LoRaWAN è la scelta giusta quando i dispositivi sono a batteria, distribuiti su un’area vasta, inviano piccole quantità di dati di rado e raramente devono ricevere qualcosa. Agricoltura di precisione, misura dei consumi per le utility, monitoraggio ambientale, parcheggio intelligente e sensori per gli edifici in grandi complessi sono casi tipici. È particolarmente interessante quando puoi possedere l’infrastruttura.

È la scelta sbagliata quando il dispositivo ha bisogno di downlink frequenti o comandi a bassa latenza, quando i payload sono grandi, quando i dispositivi si spostano tra paesi con piani di banda diversi, o quando ti serve una copertura di livello operatore senza installare nulla. In quei casi, NB-IoT e LTE-M sono le alternative consuete, e la panoramica della connettività confronta l’insieme completo.

Per continuare

• Panoramica della connettività IoT colloca LoRaWAN tra le altre opzioni radio.
• NB-IoT e LTE-M spiegati tratta le alternative cellulari per gli stessi casi d’uso.
• L’IoT in agricoltura mostra LoRaWAN in uno dei suoi contesti più comuni.
• Smart city: cosa fa davvero l’IoT per una città tratta le reti di sensori su scala urbana.

Argomenti: LoRaWAN, LoRa, LPWAN, protocolli, connettività