LPWAN: cos'è e come funziona una rete per le comunicazioni a lungo raggio

In tanti segmenti di business si utilizzano dispositivi per l’Internet delle Cose (IoT) che risultano costantemente collegati alla rete e che sono essenziali per un ampio ventaglio di attività di business.

LPWAN (Low Power Wide Area Network) è una rete WAN che permette comunicazioni wireless a lungo raggio e bassa velocità (bitrate ridotto), ad esempio tra dispositivi IoT di piccolissime dimensioni, spesso alimentati a batteria: abbiamo già parlato di LoRaWAN e del trasferimento dati a grande distanza.

La popolarità delle LPWAN sub-GHz sia nelle smart city che nelle aree rurali (agricoltura e monitoraggio delle infrastrutture) è in piena espansione ma la tecnologia si sta evolvendo passando dai 2,4 GHz alle reti satellitari.

La sfida che si pone per il futuro è quella di garantire che miliardi di dispositivi IoT possano essere connessi in modo semplice e senza discontinuità.
La distribuzione e la gestione di milioni, anche miliardi, di dispositivi è una sfida considerevole già oggi. Ciò può essere affrontato con standard aperti e hardware interoperabile, contribuendo a rendere più efficaci ed efficienti tutti i tipi di supply chain, infrastrutture intelligenti e reti di sensori.

La californiana Semtech ha sviluppato e lanciato sul mercato dispositivi LoRa (Long Range) dei quali abbiamo già parlato. Da allora i sensori distribuiti che utilizzano la tecnologia si stima siano oltre 260 milioni. Almeno per quanto riguarda i device LPWAN sub-GHz.
Recentemente la tecnologia è stata arricchita per utilizzare LoRa nella banda ISM a 2,4 GHz: una novità che sta aprendo le porte ad applicazioni nel tracciamento globale delle risorse logistiche e nel monitoraggio industriale.

L’utilizzo di LoRa nella banda 2,4 GHz consente la progettazione di un singolo nodo wireless o gateway mobile per sfruttare velocità dei dati, efficienza di trasmissione, basso consumo energetico senza dover disporre di varianti per i diversi mercati di tutto il mondo.
Ciò aiuta lo sviluppo di economie di scala nella produzione grazie a costi inferiori e ad una ridotta complessità, anche nello stoccaggio, grazie ad un singolo prodotto.

La banda dei 2,4 GHz, tuttavia, è affollata: WiFi, Bluetooth, Zigbee, Thread e Matter ne fanno abbondantemente uso. Tutte queste reti possono interferire ma la robusta immunità al rumore della modulazione LoRa può assicurare collegamenti stabili e affidabili anche in condizioni difficili, dagli impianti industriali agli scenari urbani più popolosi.

LoRa: IoT satellitare

I dispositivi LoRa hanno recentemente potuto abbracciare una nuova funzionalità dello standard LoRaWAN chiamata Long Range – Frequency Hopping Spread Spectrum (LR-FHSS). Essa consente connessioni a bassissimo consumo con i satelliti in orbita terrestre bassa o addirittura in orbita geostazionaria aprendo così ad una vasta gamma di nuove applicazioni per la tecnologia.

LR-FHSS migliora ulteriormente l’immunità al rumore aumentando l’efficienza spettrale quindi la capacità di rete. Il protocollo suddivide ogni pacchetto di dati in più blocchi e li distribuisce su una larghezza di banda di frequenza definita. Utilizza anche physical header ridondanti per i messaggi inviati su frequenze diverse al fine di migliorare ulteriormente la robustezza della modulazione rispetto alle interferenze.

L’utilizzo di nodi sensori per connettersi ai satelliti consente alle reti esistenti di espandersi rapidamente e facilmente. La tecnologia consente la piena interoperabilità tra reti terrestri e satellitari, gli schemi di modulazione LoRa e LR-FHSS possono coesistere contemporaneamente in un gateway o nel server di rete e inoltre i diversi gateway possono coesistere nella stessa rete.

Community Neighbourhood Network

Un’altra interessante area è la crescita e l’accelerazione delle reti di proprietà di una comunità. Oltre ai vantaggi commerciali, tali reti possono anche guidare soluzioni che aiuteranno le comunità ad adottare un approccio più rispettoso dell’ambiente.

Queste reti peer-to-peer prevedeono che siano i normali cittadini a ospitare gateway locali utilizzando LoRaWAN e la loro connessione a banda larga domestica. L’ampio raggio di copertura di LoRaWAN implica che in molte città di piccole e medie dimensioni possano essere servite con una “manciata” di gateway assicurando così una copertura rapida ed economica.

Una maggiore interoperabilità nell’IoT è un obiettivo verso il quale si sta guardando con sempre maggiore determinazione. Semtech sottolinea l’importanza di abbinare LoRaWAN con altre tecnologie per la connettività IoT: esse lavorano tutte insieme usando codice open source e hardware aperto.

Secondo Semtech LoRa Alliance, con quasi 500 aziende associate che vanno dai fornitori di chip, schede, gateway e software agli operatori di rete satellitare nazionali e globali, è la chiave per fornire questa interoperabilità.

L’utilizzo di un protocollo standard e interoperabile consente la scelta tra una vasta gamma di hardware di tipo aperto. Gli sviluppatori possono essere certi che i dispositivi che utilizzano LoRa possono connettersi ad un gateway, sia che si trovi in uno smart building, su una nave container o su un satellite.

Ma la questione è ben più ampia dell’hardware di un sensore e di un transceiver che operano in una determinata banda di frequenza, e collegare i sensori ad un gateway è solo metà della storia. Quei dati devono essere acquisiti, raccolti, aggregati e trasformati in dati utilizzabili. Collegare tutti quei preziosi dati al cloud è una sfida importante viste tutte queste diverse tecnologie.

L’utilizzo di un unico protocollo su tutte le bande di frequenza, terrestri o satellitari, con un hardware economico a basso consumo fornisce un modello di dati appetibile e solido. Questo aiuta a semplificare i sistemi di gestione dei dati basati su cloud che forniscono informazioni utili, indipendentemente dalla fonte dei dati stessi. Offrire informazioni da milioni di dispositivi aiuta a guidare l’efficienza di tutti i tipi di processi, dalle supply chain che si estendono in tutto il mondo alle infrastrutture intelligenti poste anche nel più remoto angolo del pianeta.

La frammentazione dell’Internet of Things è una sfida importante in termini di scalabilità delle reti. Con LoRa un unico protocollo aperto consente un vasto ecosistema di fornitori, hardware, software e cloud. All’interno di questo ecosistema, l’hardware economico e a basso consumo può funzionare su bande sub-GHz, 2,4 GHz e satellitari. Questo hardware interoperabile può fornire dati vitali ai sistemi cloud, aggregando molti sistemi diversi.
Così professionisti e imprese possono dotarsi degli strumenti necessari per ottimizzare le operazioni e rendere più efficaci le supply chain, le infrastrutture intelligenti e le reti rurali, ovunque si esse trovino nel mondo.