IoT: Connessioni a lungo raggio e bassa potenza con LoRaWAN

Sommario

Il concetto dell’Internet delle Cose, o Internet of Things (IoT) prevede di interconnettere tra loro svariati oggetti fisici intelligenti (things), come sensori e attuatori, rendendoli inoltre accessibili tramite la rete Internet e realizzando così una più stretta integrazione tra spazio fisico e spazio digitale (cyberphysical system). Ciò richiede sistemi di comunicazione con ampia copertura, bassi costi di servizi, e alta efficienza energetica, in quanto i dispositivi periferici sono spesso alimentati a batteria.

Le tecnologie Low Power Wide Area Network (LPWAN) sono nate per cercare di rispondere a questa esigenza, consentendo ai nodi periferici di trasmettere dati via radio su distanze di qualche chilometro, anche in ambienti ostili, con consumi energetici molto contenuti.

Tra le varie tecnologie LPWAN sviluppate negli ultimi anni, di particolare interesse è il sistema Long-Range Wide Area Network (LoRaWAN), promosso dalla LoRa Alliance che, ad oggi, conta oltre 500 aziende e organizzazioni internazionali¹.

In pochi anni, la tecnologia LoRaWAN è riuscita a guadagnare una notevole quota di mercato, stimolando la creazione di un forte ecosistema, con partner che sviluppano diverse parti del sistema e integratori che vendono le soluzioni complete per reti sia geografiche che residenziali/industriali.

Alla base di questo successo vi sono alcune interessanti caratteristiche tecniche e la possibilità di configurare alcuni parametri di rete in modo da adattare il funzionamento del sistema al contesto operativo specifico, migliorando così efficienza energetica e capacità. Nel seguito di questo articolo si illustreranno in maggior dettaglio gli aspetti tecnici più significativi del sistema LoRaWAN, rimandando alle specifiche tecniche per un’analisi di dettaglio.

Architettura di rete

L’architettura di un sistema LoRaWAN è rappresentata schematicamente in Figura 1. Il sistema si compone di tre elementi principali, ovvero: i nodi periferici, solitamente sensori o attuatori; uno o più Gateway; e un Network Server. I nodi periferici scambiano dati esclusivamente con i Gateway tramite la modulazione radio LoRa. I Gateway, a loro volta, sono connessi per mezzo di tecnologie Internet legacy (IP) al Network Server. Quest’ultimo si occupa della gestione dell’intero sistema: imposta i parametri configurabili, riceve i dati dai nodi periferici (tramite i Gateway) e li inoltra alle applicazioni lato server e viceversa (sempre attraverso i Gateway), e così via.

Figura 1 – Architettura di un sistema LoRaWAN.

Da notare che le trasmissioni dei nodi periferici non sono indirizzate a un particolare Gateway, ma vengono ricevute e inoltrate al Network Server da tutti i Gateway nel raggio di copertura del trasmettitore. Questo semplifica molto la pianificazione della rete e permette di aumentare la robustezza delle trasmissioni in uplink (dai nodi periferici verso la rete) disponendo un maggior numero di Gateway nell’area da coprire. I pacchetti duplicati sono scartati dal Network Server, che usa meta-informazioni trasmesse dai Gateway (ad esempio, la potenza del segnale ricevuto) per scegliere il Gateway da usare per gli eventuali messaggi di risposta ai nodi periferici.

Modulazione LoRa, velocità di trasmissione, e raggi di copertura

La comunicazione radio si basa sulla modulazione LoRa, il cui brevetto è detenuto dall’azienda Semtech.

LoRa sfrutta una tecnica di tipo chirp spread spectrum che consiste nella trasmissione di un segnale sinusoidale con frequenza crescente nel periodo di simbolo, con una rampa di salita in frequenza che dipende dal simbolo da inviare².

La velocità di trasmissione dipende dallo spreading factor (SF), un parametro configurabile che può variare da 7 a 12: valori bassi di SF corrispondono a maggiori velocità di trasmissione dei dati, ma richiedono una maggiore potenza di segnale al ricevitore per la corretta decodifica, il che si traduce in raggi di copertura più corti.

La Tabella 1 mostra alcuni valori indicativi di velocità di trasmissione e raggi copertura per i diversi SF per una probabilità di errore sul pacchetto inferiore all’1%, considerando la banda di frequenza non licenziata a 868 MHz in cui opera il sistema in Europa, con canale di ampiezza 125 kHz, e coding rate di 4/5.

Tabella 1 – Velocità di trasmissione e raggi copertura per i diversi SF.

Da notare che segnali trasmessi con SF diversi sono quasi ortogonali, ovvero possono essere decodificati senza errori anche se sovrapposti nel tempo e in frequenza, a condizione che le potenze dei due segnali siano sufficientemente distanti³.

Molti Gateway commerciali sfruttano questa proprietà implementando diverse catene di ricezione parallele che permettono di ricevere altrettanti segnali simultaneamente. Tuttavia, i Gateway non possono trasmettere e ricevere simultaneamente. Inoltre, il sistema deve rispettare le limitazioni previste dalla raccomandazione CEPT 70-03 che impone un rapporto medio tra periodo in trasmissione e in silenzio di un dispositivo (duty cycle) che varia fra 0.1% e il 10% a seconda delle sottobande considerate. Questo vincolo, spesso implementato a livello firmware a ogni singola trasmissione (quando invece le normative impongono il rispetto del duty cycle in media in un intervallo temporale di un’ora), può determinare latenze elevate nel caso sia necessario trasmettere più pacchetti in rapida successione (ad esempio, per un update del software, o in caso di segnalazione di eventi anomali).

Prestazioni di rete

Le prestazioni delle reti LoRaWAN sono state ampiamente studiate in letteratura, negli ultimi anni⁴.

La maggior parte degli studi ipotizzano un traffico solo uplink, concentrandosi su scenari di puro monitoraggio. In base a questi presupposti, LoRaWAN ha dimostrato di essere in grado di supportare centinaia di dispositivi, distribuiti su un’area di diversi chilometri quadrati, che generano traffico con periodi di inter-packet che variano da 30 minuti a 24 ore, per un traffico aggregato fino a 0,8 pacchetti/s, con un’affidabilità di circa il 95% con un singolo Gateway. La capacità del sistema può essere ulteriormente estesa distribuendo più Gateway e/o adottando strategie intelligenti per assegnare gli SF ai diversi nodi periferici.

La presenza di traffico di downlink, ovvero dalla rete verso i nodi periferici (incluso il traffico di controllo generato dal NetworkServer in caso di trasmissione di pacchetti di tipo “confermato” da parte dei nodi periferici), può impattare significativamente sulla capacità del sistema. Infatti, è stato osservato che, in scenari dove i nodi possono inviare sia pacchetti di tipo “confermato” che “non confermato”, questi ultimi hanno una più alta probabilità di non essere consegnati a causa dell’impossibilità dei Gateway di ricevere e trasmettere simultaneamente. Tuttavia, alcune di queste inefficienze possono essere attenuate modificando opportunamente le impostazioni del sistema.

Sicurezza

LoRaWAN utilizza due livelli di sicurezza: uno per la rete, che garantisce l’autenticità del nodo nella rete, e uno a livello applicazione che assicura che l’operatore di rete non abbia accesso ai dati dell’applicazione dell’utente finale. Si utilizza una crittografia AES con scambio di chiavi. Il pairing tra dispositivo e rete può avvenire in due modalità diverse: Over-The-Air Activation (OTAA), che permette di stabilire una chiave di sessione con i server, e Activation By Personalization (ABP), una procedura manuale per installare le chiavi che, tuttavia, non permette di rigenerare le chiavi periodicamente, e quindi è sconsigliata.

Conclusioni

Da questa analisi possiamo concludere che LoRaWAN contribuisce a colmare una lacuna nell’arena delle tecnologie di comunicazione wireless, fornendo un mezzo molto flessibile, sicuro, efficiente dal punto di vista energetico, facile da implementare e relativamente a basso costo per collegare una moltitudine di nodi con bassa richiesta di traffico.

Ad oggi, l’offerta commerciale di LoRaWAN vanta moltissimi dispositivi periferici LoRa-compliant, e rende possibile sia la realizzazione di reti completamente private, tramite l’acquisto e la gestione di Gateway e Network Server, che l’accesso al servizio in modalità platform-as-a-service, in cui la realizzazione e la gestione della rete viene demandata a un operatore, che poi reindirizza le comunicazioni verso i server applicativi del cliente.

Come considerazione finale, osserviamo la mancanza di una tecnologia chiaramente predominante nell’arena LPWAN sta determinando un rallentamento nell’adozione di queste tecnologie. Tuttavia, un gruppo di lavoro della Internet Engineering Task Force (IETF) sta sviluppando un protocollo di compressione delle intestazioni dei protocolli detto SCHC (pronunciato “chic”), che consente la connettività IPv6 anche in reti LPWAN, aprendo la strada ad un’effettiva interoperabilità tra esse e con altre soluzioni, come NB-IoT.

¹ L. Vangelista, A. Zanella, and M. Zorzi, “Long-range IoT technologies: The dawn of LoRaTM,” in Future access enablers of ubiquitous and intelligent infrastructures. Springer, 2015, pp. 51-58
²L. Vangelista, “Frequency shift chirp modulation: the LoRa modulation,” IEEE Signal Processing Letters, vol. 24, no. 12, pp. 1818–1821, Dec. 2017.
³D. Croce, M. Gucciardo, S. Mangione, G. Santaromita, and I. Tinnirello, “Impact of LoRa Imperfect Orthogonality: Analysis of Link-Level Performance,” IEEE Communications Letters, vol. 22, no. 4, pp. 796–799, 2018.
⁴D. Magrin, M. Capuzzo, A. Zanella. “A Thorough Study of LoRaWAN Performance Under Different Parameter Settings,” IEEE Internet of Things Journal vol. 7, no. 1, pp. 116-127, Jan. 202

Bibliografia:

• L. Vangelista, A. Zanella, and M. Zorzi, “Long-range IoT technologies: The dawn of LoRaTM,” in Future access enablers of ubiquitous and intelligent infrastructures. Springer, 2015, pp. 51-58.
• L. Vangelista, “Frequency shift chirp modulation: the LoRa modulation,” IEEE Signal Processing Letters, vol. 24, no. 12, pp. 1818–1821, Dec. 2017.
• D. Croce, M. Gucciardo, S. Mangione, G. Santaromita, and I. Tinnirello, “Impact of LoRa Imperfect Orthogonality: Analysis of Link-Level Performance,” IEEE Communications Letters, vol. 22, no. 4, pp. 796–799, 2018
• D. Magrin, M. Capuzzo, A. Zanella. “A Thorough Study of LoRaWAN Performance Under Different Parameter Settings,” IEEE Internet of Things Journal vol. 7, no. 1, pp. 116-127, Jan. 2020