LoRaWAN cos'è e come funziona il trasferimento dati a lungo raggio

Quando si parla di comunicazioni wireless si pensa generalmente al WiFi o al massimo allo standard Bluetooth. La presentazione di Amazon Sidewalk a maggio 2021 ha contribuito a rendere più vivo l’interesse a livello mainstream sulle comunicazioni senza fili a lungo raggio. Che sono invece cosa ben nota a livello industriale e in molteplici campi applicativi a livello d’impresa.

LoRa è acronimo di long range ed è una sigla che chi utilizza i dispositivi per l’Internet delle Cose (IoT) già conosce da tempo. Si tratta infatti di una tecnologia wireless a radiofrequenza usata in molte reti di dispositivi IoT in tutto il mondo.
Sviluppata originariamente dai francesi di Cycleo è stata acquisita nel 2012 dalla californiana Semtech.

Trasferire i dati usando onde radio è diventata cosa alla portata di tutti (o quasi) sin dal 1997 quando lo standard IEEE 802.11 è comparso sulla scena. Lo standard 802.11 si è evoluto dal suo debutto a 2 Mbps per arrivare oggi ai 9,6 Gbps teorici del WiFi 6 (802.11 ax) e spingendosi ancora più in là con WiFi 6E e l’introduzione delle frequenze sui 6 GHz.
La velocità massima teorica raggiungibile dal WiFi ha fatto segnare, nel corso di circa 25 anni, una crescita impressionante pari a 5.000 volte.

Mentre i progressi in termini di performance per quanto riguarda le velocità di trasferimento dati lasciano veramente di stucco, il raggio di copertura non è aumentato. Anzi, il segnale WiFi sulle frequenze dei 5 GHz e soprattutto sulla banda dei 6 GHz supera con difficoltà gli ostacoli rispetto alle tradizionali reti WiFi sui 2,4 GHz.
Ecco quindi che oggi usare sistemi WiFi mesh sta divenendo cosa sempre più indispensabile, soprattutto con l’avvento delle connessioni ultrabroadband in fibra FTTH (Fiber-to-the-Home) da 1 Gbps e oltre.

Come fare per il trasferimento di dati a lungo raggio? È ovviamente possibile realizzare connessioni punto-punto utilizzando il WiFi e apposite antenne direzionali.
Si può anche usare la rete dati mobile che può essere utilizzata per coprire aree altrimenti difficili da raggiungere usando anche in questo caso un’antenna direzionale.

Ma cosa succede se si avesse bisogno di usare una serie di nodi o sensori appartenenti al mondo IoT da installare fuori dalla copertura del segnale WiFi del router?
Utilizzare dispositivi dotati di modem e inserire in ciascuno di essi una SIM diverrebbe proibitivo in termini di flessibilità e costi.

Le performance raggiungibili in fase di trasferimento dati con l’uso di connessioni WiFi o basate su rete mobile sono eccessive in quelle situazioni in cui si devono scambiare soltanto pochi bit. LoRa è la risposta a queste esigenze fornendo il livello fisico inferiore mentre LoRaWAN, approvato a metà 2015 nella sua prima versione, è uno dei protocolli che svolge principalmente il ruolo di livello di rete.

Differenze tra LoRa, LoRaWAN e LPWAN

Con il termine LPWAN (low-power wide-area network) si fa riferimento a una rete ad ampio raggio di copertura progettata per consentire comunicazioni con un basso bitrate tra dispositivi, come sensori IoT, funzionanti a batteria (consumi energetici molto contenuti).

Una LPWAN può essere utilizzata per creare una rete privata di sensori wireless ma può essere abilitata sotto forma di servizio o infrastruttura offerta da una terza parte: in questo modo le aziende interessate possono immediatamente distribuire sul campo i sensori senza investire sui gateway.

Sebbene lo strato fisico LoRa sia proprietario, grazie al lavoro svolto dalla LoRa Alliance, associazione senza scopo di lucro che vede la partecipazione di nomi quali Google Cloud, Cisco, Alibaba, IBM, HP, Foxconn, Sagemcom, Schneider, Bosch e tanti altri, è stato proposto un modello di sviluppo aperto basato proprio sul protocollo LoRaWAN.

I dispositivi LoRaWAN utilizzano in Europa la banda 863-870 MHz anche se è possibile lavorare sui 433 MHz.
Il vantaggio è che la copertura può arrivare fino a 10 chilometri nelle aree extraurbane e fino a 5 chilometri nelle aree cittadine con un consumo energetico minimo (tanto che i prodotti IoT LoRa sono equipaggiati con batterie capaci di durare fino a 15 anni). Il tutto utilizzando una potenza paragonabile a quella di un semplice telecomando apricancello.

LoRaWAN può essere usata ovunque e a costo zero perché non c’è bisogno di usare una SIM, sottoscrivere abbonamenti e versare canoni mensili o annuali: nella sua implementazione più semplice due o più ricetrasmettitori compatibili come quelli implementati nel microcontroller Arduino MKR WAN 1310 possono colloquiare direttamente tra loro. I dati vengono protetti utilizzando la cifratura AES-128.

LoRaWAN è una specifica LPWAN: a questo proposito Semtech ha presentato molteplici novità.
Come abbiamo detto, infatti, LoRaWAN è utilizzata prevalentemete nella banda sub-GHz ma si sta progressivamente passando allo scambio di dati via satellite utilizzando LPWAN capaci di dialogare con i satelliti in orbita terrestre bassa o addirittura in orbita geostazionaria.

Come vengono sviluppate le reti LoRaWAN

Abbiamo detto che i termini LoRa e LoRaWAN vengono spesso usati come sinonimi: in realtà il primo indica lo strato fisico proprietario o la modulazione wireless mentre il secondo è il protocollo aperto sviluppato sotto l’ala della LoRa Alliance.

In un’infrastruttura LoRaWAN generalmente si utilizzano appositi gateway che si occupano di trasferire i dati raccolti da una serie di sensori verso il cloud o comunque su un server remoto utilizzando una connessione cablata, tramite WiFi o una connessione dati. A questo punto i dati potranno essere elaborati e utilizzati in un ampio ventaglio di situazioni (qui alcuni esempi).
I gateway LoRaWAN agiscono quindi come “concentratori”, capaci di ascoltare e raccogliere le informazioni provenienti di tanti dispositivi compatibili distribuiti sul territorio.

Dicevamo che implementare il WiFi a lungo raggio è certamente possibile ma a differenza di LoRaWAN per raggiungere l’obiettivo è necessario usare antenne direzionali ben puntate e lavorare in condizioni di perfetta visibilità ottica. Si possono così trasferire anche centinaia di Mbps su lunghissime distanze (decine o addirittura centinaia di chilometri) ma la portabilità di una soluzione del genere è praticamente inesistente, l’installazione è generalmente complessa e i consumi energetici sono decisamente più elevati rispetto all’utilizzo di moduli LoRaWAN.

Per contro LoRaWAN vanta potenzialità enormi quando si ha bisogno di un ampio raggio di copertura ma non può essere paragonato al WiFi quando si tratta di velocità di trasmissione dati.

I meccanismi ADR (Adaptive Data Rate) e APC (Adaptive Power Control) utilizzati da LoRaWAN consentono di adattare e ottimizzare sia le prestazioni che i consumi di energia. Basti pensare, però, che il bitrate è compreso tra 300 bit/s (0,3 kbps) e 50 kbps.

Da qui ben si comprende quanto LoRaWAN sia un’ottima soluzione per il mondo IoT: ad esempio per controllare lo stato di un oggetto a distanza, attivare un cancello, monitorare i movimenti di un animale, monitorare gli stalli di un parcheggio, leggere i contatori delle utenze, rilevare se un’aiuola o un prato hanno bisogno di essere irrigati, localizzare persone e cose, sviluppare sistemi di allarme e di rilevamento incendi, rilevare la posizione di mezzi pubblici e privati, monitorare la qualità dell’aria…
In tutti questi scenari i dati vanno trasferiti con una periodicità molto fitta ma pesano poco.
Ecco perché LoRaWAN si dimostra una soluzione eccellente e perché Amazon, che tra l’altro è sponsor della LoRa Alliance, vi sta investendo sempre più convintamente.

La sicurezza delle trasmissioni dati LoRaWAN è assicurata con l’utilizzo di più livelli crittografici: viene utilizzata una chiave di cifratura unica a livello di rete, un’altra chiave unica a livello applicativo e infine una chiave per ciascun dispositivo.

LoRaWAN in Italia

Sono tanti i provider che offrono soluzioni per le telecomunicazioni che hanno a catalogo prodotti LoRaWAN.
Molto spesso questi fornitori di telecomunicazioni (sono molti i nomi delle aziende partner di Open Fiber che offrono anche servizi di connettività su rete FTTH) lavorano su tre livelli assicurando copertura primaria Outdoor / Light Indoor con gateway, secondaria Outdoor / Deep Indoor (raggiungibilità dei dispositivi installati in ambienti chiusi) con gateway, Deep Indoor con gateway e possibilità di creare o estendere una rete WiFi.

In un comunicato pubblicato dalla LoRa Alliance è possibile trovare un breve excursus sulla storia di LoRaWAN in Italia.