Che cos'è LoRaWAN? Come funzionano le reti LoRaWAN

LoRaWAN è un protocollo per reti geografiche a basso consumo (LPWAN) pensato per sensori e contatori a batteria che inviano piccole quantità di dati su lunghe distanze. Un dispositivo invia ogni lettura come un breve pacchetto radio in una banda senza licenza sotto 1 GHz. Ogni gateway LoRaWAN a portata lo riceve e lo inoltra via IP a un network server, che lo controlla, elimina i duplicati e consegna i dati decifrati a un'applicazione. I collegamenti tipici arrivano a qualche chilometro in città e più lontano in campo aperto, a velocità da qualche centinaio di bit a qualche kilobit al secondo, e un dispositivo può funzionare per anni con una batteria. La LoRa Alliance pubblica la specifica, che l'ITU-T ha adottato anche come Raccomandazione Y.4480.

LoRaWAN in sintesi

LoRa e LoRaWAN non sono la stessa cosa

LoRa è la modulazione radio, sviluppata da Semtech. Distribuisce ogni simbolo come un chirp su un canale da 125 kHz o più, il che permette a un ricevitore di decodificare segnali ben al di sotto del rumore. Lo spreading factor (da SF7 a SF12) stabilisce quanto dura ogni simbolo: uno SF più alto è più lento ma arriva più lontano.

LoRaWAN è il protocollo di rete che la usa, pubblicato dalla LoRa Alliance. Definisce come i dispositivi entrano in rete, come i frame vengono indirizzati e cifrati, quando un dispositivo può ricevere e come il network server gestisce le velocità. Un modulo radio o un sensore che «usa LoRa» può invece eseguire un protocollo proprietario punto-punto che nessuna rete LoRaWAN riceverà. Verifica che il dispositivo sia certificato LoRaWAN, o almeno che dichiari la versione LoRaWAN e il piano regionale.

Come funziona una rete LoRaWAN

I dispositivi non fanno da ripetitori gli uni per gli altri e non sono legati a un gateway. Una lettura sentita da tre gateway arriva tre volte al network server, quindi il guasto di un gateway non fa perdere dati. I gateway inoltrano al network server con il packet forwarder UDP di Semtech o con LoRa Basics Station su un WebSocket sicuro.

Il network server è l'elemento che si dimentica. Ogni installazione ne ha bisogno: quello di una rete pubblica, un servizio cloud o uno gestito in sito. Le chiavi dei dispositivi, i decoder e le integrazioni che inoltrano i dati risiedono lì: stabilisci presto chi ne è responsabile.

Classi dei dispositivi

Un comando a un contatore in classe A che trasmette ogni ora può attendere fino a un'ora. Il confronto tra Zigbee e LoRaWAN tratta i downlink, gli uplink confermati e i guasti che contano in campo.

Ingresso in rete e sicurezza

Un dispositivo entra in rete con l'attivazione over the air (OTAA): invia una richiesta di join con il suo DevEUI e il JoinEUI, e il join server risponde con chiavi di sessione derivate dalla chiave radice del dispositivo (AppKey). L'attivazione per personalizzazione (ABP) salta il join e memorizza nel dispositivo chiavi di sessione fisse. Preferisci OTAA, perché un dispositivo in ABP che azzera il contatore dei frame viene ignorato dal network server finché il contatore non supera il valore precedente.

Ogni frame porta un codice di integrità calcolato con la chiave di sessione di rete e un payload cifrato con la chiave di sessione applicativa. L'operatore di rete può quindi instradare una lettura senza poterla leggere. Conserva le AppKey in un archivio di chiavi, non in un foglio di calcolo inviato per e-mail.

Piani di frequenza per regione

I parametri regionali della LoRa Alliance fissano canali, velocità e limiti di potenza di ogni regione, e le norme radio locali aggiungono i propri limiti:

Un dispositivo è costruito per un piano. Ordinalo per il paese in cui verrà installato e verifica che gateway e network server usino lo stesso piano e, in US915, la stessa sottobanda di otto canali.

Spreading factor, tempo di trasmissione e portata

Lo SF fissa un compromesso tra portata e tempo di trasmissione. Per una lettura di 12 byte (25 byte in aria con l'intestazione LoRaWAN) su un canale da 125 kHz:

SF12 richiede 24 volte il tempo di trasmissione di SF7, e la batteria paga ogni millisecondo. L'adaptive data rate (ADR) permette al network server di portare un dispositivo con buon segnale a uno SF più basso e a meno potenza, risparmiando batteria e lasciando il canale libero per gli altri. Un dispositivo in uno scantinato potrebbe collegarsi solo in SF12: calcola intervallo di invio e durata della batteria su quel valore, non sul caso migliore della scheda tecnica.

La portata deriva dal bilancio di collegamento: potenza di trasmissione, guadagni d'antenna, perdite dei cavi e sensibilità del ricevitore allo SF scelto, contro l'attenuazione di percorso del sito. Un'antenna del gateway sopra il tetto conta più di qualsiasi impostazione. Modella il collegamento con il calcolatore del bilancio di collegamento radio, verifica lo sgombero della zona di Fresnel per un lungo collegamento esterno, poi conferma con un dispositivo di prova nelle posizioni reali dei contatori.

LoRaWAN, NB-IoT, LTE-M e altre reti LPWAN a confronto

La scelta riguarda di solito chi possiede la rete. LoRaWAN permette a un sito o a un patrimonio immobiliare di gestire la propria copertura senza una SIM per dispositivo. NB-IoT e LTE-M dipendono da copertura e prezzi di un operatore, ma non richiedono gateway. L'M-Bus wireless (EN 13757-4) è spesso integrato negli stessi contatori d'acqua e di calore e si legge con ricevitori propri. Per un confronto con le reti mesh a corto raggio all'interno degli edifici, vedi Che cos'è Zigbee?.

LoRaWAN per la misura

Nei progetti energetici e negli edifici, i dispositivi LoRaWAN sono per lo più lettori in retrofit: un contatore di impulsi su un contatore d'acqua o di gas, un sensore di corrente su un cavo, una sonda di temperatura in una cella frigorifera. Scegli dispositivi che inviano un totalizzatore, come il totale in m³ o in kWh, in ogni uplink. Un uplink perso costa allora risoluzione temporale, non consumo. La guida ai contatori a impulsi spiega come collegare un lettore di impulsi a un contatore.

Prima del rollout, verifica per ogni dispositivo il piano regionale, la versione LoRaWAN e la classe, il decoder, l'intervallo di invio allo SF effettivamente raggiunto e chi custodisce le chiavi.

LoRaWAN con EpiSensor

Edge sul Gateway ZGW-20 legge gli uplink decodificati dei dispositivi LoRaWAN di altri costruttori dal network server LoRaWAN del sito e li archivia accanto alle letture Zigbee, Modbus e BACnet. L'elenco dei dispositivi LoRaWAN mostra come ogni modello si collega a Edge e quali campi fornisce il suo decoder.