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.Industry 4.0

LoRaWAN, cos’è, a cosa serve, perché conviene utilizzarla

Si tratta di una tecnologia con la quale si riesce a trasmettere a grande distanza utilizzando una potenza molto ridotta, confrontabile a quella di un telecomando apri-cancello. Tra gli altri vantaggi, semplicità, ampio raggio di copertura, flessibilità della rete e un ricco ecosistema

Erano già 500 milioni i computer collegati a internet nel 2000. Meno di dieci anni dopo, si sono superati i 2 miliardi di utenti in rete a seguito dell’arrivo di smartphone e tablet. L’impennata dei dispositivi connessi in rete ha di fatto aperto la strada al collegamento a internet di qualunque oggetto “reso intelligente”, l’IoT appunto. Acronimo di Internet of Things, ossia di internet delle cose, l’IoT promette di essere la nuova rivoluzione con un CAGR (ossia un tasso di crescita medio annuo) di circa il 35%* e con oltre 40 miliardi di dispositivi connessi a internet previsti per il 2023 nel mondo**. Coronavirus permettendo.

Occorre tuttavia ammettere che la crescita che ci si aspettava nell’IoT qualche anno fa sembra tardare. Questo ritardo si spiega in due parole: sostenibilità economica. Moltissime sono infatti le aziende che hanno cercato di cavalcare l’enorme opportunità di business rappresentata dall’IoT. Questo, però, ha complicato i processi di selezione dei fornitori e delle relative soluzioni da parte dei clienti. Cui si aggiunge l’estrema prudenza di questi ultimi, resasi necessaria di fronte al maldestro tentativo di alcune aziende di proporre soluzioni complete ma chiuse, dalle quali nessun cliente finale si potrebbe più svincolare. Tutto questo si complica ulteriormente se si pensa che per uno stesso caso d’uso si possono utilizzare numerose differenti tecnologie. Tra queste LoRaWAN sembra crescere a ritmi tripli rispetto alle altre (CAGR: 110%)***, vediamo perché.

L’IoT spiegato con un semplice esempio

Il più classico degli esempi utilizzati per spiegare l’IoT dovrebbe chiarire: la sedia. Diciamolo subito: è un esempio scolastico, piuttosto capriccioso e improbabile, ma aiuta a comprendere con più facilità; vedremo dopo alcuni esempi più concreti. Decidiamo di “rendere intelligente” la sedia sulla quale siamo seduti collegandola a internet, perché vogliamo sapere da remoto quando è occupata e da chi. Abbiamo bisogno di:

  • darle un’identità unica per distinguerla dalle altre sedie;
  • darle la capacità di comunicare, per esempio con una comunicazione wireless (tralasciamo per opportunità e costi le pur possibili comunicazioni cablate);
  • darle dei sensi, in modo da sapere, per esempio, che se la pressione sulla superficie della sedia aumenta, vuol dire che la nostra sedia è occupata. E se la persona che la occupa è identificabile per esempio tramite un’associazione con il suo smartphone, potrò anche sapere chi la occupa;
  • infine, occorre un terminale, come per esempio un PC, un tablet o uno smartphone, che mi consente di controllare la mia sedia, “resa intelligente”, da remoto, ovunque mi trovi.

Tradotto in concreto, occorre materialmente inserire nella nostra sedia una serie di chip che abilitano i quattro punti elencati sopra. La storia insegna che i chip diventano con il tempo sempre più piccoli ed economici e anche per questo ci si aspetta la crescita di un IoT sempre più economico. Ma l’IoT ha logiche decisamente più complesse rispetto al mondo dei PC dove vi è una diretta correlazione tra costo dei chip e costo finale del computer. L’IoT infatti è, e sarà ancora per molto, un vestito cucito su misura.

Le tecnologie wireless per l’IoT

Il caso d’uso della sedia è semplice: voglio sapere se la mia sedia è occupata e da chi. Ma è il tipo di comunicazione wireless tra la sedia e internet il vero nodo da sciogliere, perché vi sono numerosissime tecnologie di trasmissione wireless: Wi-Fi, bluetooth, Zigbee, Z-Wave, Anocean, 2G, 3G, 4G, 5G, NB-IoT, Sigfox, LoRaWAN, LTE-M, Wireless M-Bus… e altre ancora. Ed è qui che le cose si complicano. Cosa usare? Come facciamo a determinare la scelta della tecnologia?

Fig.1 – Tecnologie wireless raggruppate per raggio d’azione e larghezza di banda

Per rispondere a queste domande occorre restringere progressivamente il campo. La figura 1 può essere un valido punto di partenza. Vi ritroviamo, infatti, molte tecnologie wireless raggruppate per raggio d’azione e larghezza di banda. Cerchiamo di capire meglio.

Le comunicazioni cellulari come 2G, 3G, 4G, indicate nell’area rossa, trasferiscono quantità di dati medio-grandi su un ampio raggio di copertura, ossia a distanza di centinaia di metri. In esterno e in città, sono certamente indicate. Ma quante volte vi capita di uscire fuori in balcone perché il segnale del vostro cellulare in casa è scarso e la comunicazione è disturbata o addirittura impossibile? Se la mia sedia fosse una panchina del mio giardino potrei tenere in considerazione questo tipo di tecnologia. Anche in questo caso, però, poiché la mia panchina deve segnalare se è occupata o è libera e da chi, parliamo di una modesta quantità di dati con un numero di trasmissioni giornaliere piuttosto limitato. Il costo di un abbonamento per una SIM dedicato alla sola panchina appare davvero sproporzionato.

Le tecnologie wireless che conosciamo meglio sono probabilmente il Wi-Fi e il Bluetooth, racchiuse nel circoletto giallo, a indicare che sono anch’esse idonee per comunicazioni di quantità di dati medio-grandi ma in un raggio di copertura di pochi metri. Certamente ideali per interni. La mia sedia sarebbe più facilmente raggiungibile dalla rete WiFi di casa che da quella cellulare. Inoltre, limiterei il costo, non dovendo pagare alcun abbonamento. I sensori che inserisco nella mia sedia, però, devo alimentarli con una batteria; non posso pensare di collegarla a un cavo di alimentazione. La durata della batteria, che devo inserire nella sedia insieme agli altri chip necessari per rendere la sedia intelligente, sarebbe limitata, costringendomi a cambiare o ricaricare la batteria troppo frequentemente.

Recentemente sono state introdotte le tecnologie LPWAN (Low Power Wide Area Network) come la tecnologia LoRaWAN, rappresentata in figura dall’area azzurra. Questa tecnologia è capace di coprire distanze fino a 20 km in campo aperto, ed essendo ideale per trasmettere un quantitativo di dati limitato, consente di abbassare notevolmente i consumi abilitando una durata delle batterie anche oltre i 15 anni. Riepilogando: raggiungo sia la sedia che la panchina, costa poco e mi dimentico della batteria. Interessante. Approfondiamo.

Cos’è LoRaWAN

Per comprendere facilmente i vantaggi della tecnologia LoRaWAN occorre addentrarsi nelle principali caratteristiche tecniche.

La tecnologia LoRaWAN riesce a trasmettere a grande distanza utilizzando una potenza confrontabile a quella di un comune telecomando apri-cancello. Per semplificare, possiamo dire che LoRaWAN è una tecnologia dalle “orecchie molto grandi” e per questo capace di sentire “un sussurro” a distanza di chilometri, senza dovere “strillare” per farsi sentire. Come vi riesce?

Dal punto di vista fisico, viene utilizzata la banda di frequenza libera 868 MHz e una modulazione radio per la quale il segnale informativo viene trasmesso su una banda di frequenze decisamente più ampia di quella strettamente necessaria. Questo ha due importanti effetti:

  1. la possibilità di trasmettere con potenze di trasmissione inferiori alla soglia del rumore
  2. quella di elevare notevolmente l’immunità alle interferenze.

Fig. 2 – Modulazione Spread Spectrum utilizzata dalla tecnologia LoRaWAN
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In realtà, quanto detto fino a questo momento, corrisponde alla descrizione della tecnologia di trasmissione LoRa (Long Range), sviluppata dalla francese Cycleo poi acquisita dalla Semtech. LoRa diventa LoRaWAN quando allo strato fisico aggiungiamo lo strato MAC (Media Access Control) necessario per estendere la comunicazione a internet. Il protocollo LoRaWAN (LoRa for Wide Area Network) è uno standard de facto aperto e supportato dalla LoRa Alliance®, un’associazione no profit costituita da oltre 500 aziende dell’industria che collaborano per garantire l’interoperabilità, il miglioramento della tecnologia e la diffusione del vasto ecosistema associato a questa tecnologia.

La LoRa Alliance, peraltro, continua a crescere. Recentemente sono entrati a farne parte colossi come Intel, Amazon e Dish.

 

Fig. 3 – Alcuni brand che compongono la LoRa Alliance

Come funziona LoRaWAN

La figura 4 rappresenta una schematizzazione dell’architettura che sta alla base di tutte le soluzioni IoT che utilizzano la tecnologia LoRaWAN. I dispositivi periferici (End Nodes) come sensori, attuatori, contatori, (la sedia del nostro esempio), ecc. dialogano, in modalità bidirezionale, con dei concentratori (Gateway) che vengono posizionati nel territorio e costituiscono la rete IoT LoRaWAN.

Fig. 4 – Architettura delle soluzioni IoT basate sulla tecnologia LoRaWAN

I dati, provenienti dai dispositivi periferici e raccolti dalla rete IoT LoRaWAN vengono poi mandati in cloud al network server dell’operatore di rete tramite un’infrastruttura di backhauling come per esempio la fibra ottica. Il network server gestisce questi dati e li fornisce all’application server per renderli così fruibili all’utente finale tramite app o web.

Una delle opportunità che offre la tecnologia LoRaWAN è che non necessariamente la mia sedia deve parlare con un gateway di un operatore di rete LoRaWAN per trasferire i dati in cloud e renderli infine accessibili tramite il mio smartphone ovunque io sia. Potrei, infatti, utilizzare un gateway da interno (analogo a quello del WiFi di casa), installare un network server open source sul mio PC e magari sviluppare una semplice app da installare sul mio cellulare. La possibilità di questo IoT-fai-da-te somiglia molto a quelle che si avevano nell’epoca di forte crescita dei computer in cui in tanti assemblavano un proprio PC. Prima di diventare talmente antieconomico da lasciare questa attività ai soli appassionati. Poter realizzare reti LoRaWAN private proprie, tuttavia, è un aspetto di grande rilievo e, per alcune aziende, addirittura strategico.

Per garantire la sicurezza dei dati, i dispositivi periferici trasmettono i dati nativamente criptati con doppia chiave di criptazione. Una chiave viene usata dal network server per capire se il dato proviene da un dispositivo proprio, mentre la seconda chiave di criptazione serve all’application server per gestire il dato in chiaro e abilitarne la fruizione per l’utente finale. Ma ciò che maggiormente caratterizza la comunicazione tra end node e gateway è lo spreading factor.

Quando il dispositivo periferico deve collegarsi alla rete per la prima volta, trasmette a SF12, ossia con la più lenta velocità di trasmissione dei dati e quindi il più lungo intervallo di tempo in aria necessario per la trasmissione di uno stesso quantitativo di dati (payload), il che consente di comunicare alle distanze più elevate. Nella maggior parte dei casi, però, in presenza di una rete LoRaWAN, dopo che il dispositivo “ha fatto il join”, ossia dopo che inizia la comunicazione con il network server, lo spreading factor si riduce, ossia la velocità di trasmissione viene aumentata, riducendo il tempo della trasmissione e quindi l’energia necessaria per la trasmissione stessa. Questo meccanismo di mitigazione prende il nome di ADR (Adaptive Data Rate) che, insieme all’APC (Adaptive Power Control), è di fondamentale importanza per allungare ulteriormente la durata delle batterie dei dispositivi, ridurre il traffico radio e, di conseguenza, l’inquinamento elettromagnetico.

Spreading Factor

a 125 kHz

BitrateDistanza

indicativa

Time on Air (ms)

for 10B payload

SF75470 bps2 km56 ms
SF83125 bps4 km100 ms
SF91760 bps6 km200 ms
SF10980 bps8 km370 ms
SF11440 bps11 km740 ms
SF12290 bps14 km1400 ms
(Coding rate ⅘, banda 125 kHz, PER (Packet Error Rate): 1%)
Tab. 1 – Bitrate, distanza e Time on Air per differenti Spreading Factor

I concentratori che costituiscono la rete LoRaWAN sono fondamentalmente degli oggetti semplici. Trasmettono, infatti, tutti i dati provenienti da tutti i dispositivi periferici che si trovano nel proprio raggio d’azione, siano essi dispositivi periferici propri o altrui. Quindi, il motivo per cui si abbassa lo spreading factor di un dispositivo è anche per fare in modo che il dato proveniente da un end node venga raccolto solo dal gateway più vicino, limitando il traffico dati che giunge al network server.

È il network server che gestisce la rete dei gateway e gli stessi dispositivi periferici, decidendo quale spreading factor devono avere questi ultimi. Ma questo può avvenire solo con i dispositivi periferici propri gestiti dal network server, ossia con tutti quei dispositivi di cui il network server detiene la prima delle due chiavi di criptazione. Non si limita, quindi, soltanto al trasferimento dei dati provenienti dai dispositivi periferici propri agli application server. Anzi, possiamo affermare con certezza, che il network server ricopre un ruolo fondamentale nell’intera architettura. Al network server cui arrivano pacchetti dati provenienti da dispositivi altrui, non resta che cestinare tutti questi dati. Il network server, infatti, in tutti questi casi, non disponendo della prima chiave di criptazione, non saprebbe nemmeno dove instradare questi dati.

I vantaggi di LoRaWAN

Sebbene non siano stati forniti i dettagli, le informazioni tecniche precedentemente esposte consentono di comprendere facilmente tutti i vantaggi che la tecnologia LoRaWAN presenta.

Ampio raggio di copertura: si susseguono nel mondo gli annunci di record nella distanza di comunicazione tra un end node e un gateway LoRaWAN. L’ultimo, riportato dalla comunità della LoRa Alliance, parla di ben 832 km utilizzando una potenza di trasmissione di soli 25 mW! Nella pratica questo consente di ridurre drasticamente il numero di gateway per kmq se confrontato con una rete cellulari. L’infrastruttura di rete è dunque di gran lunga più snella di una rete cellulari, il che si traduce in costi operativi decisamente più bassi.

Deep Indoor (in profondità): l’elevata immunità al rumore di questa tecnologia, consente di raggiungere facilmente luoghi “nascosti” come per esempio i contatori dell’acqua che tipicamente si trovano nelle cantine, sotto ai tombini o nei cavedi. Questo è un elemento di grandissimo rilievo per molte applicazioni IoT. Non posso, infatti, avvicinare un contatore dell’acqua alla rete per facilitare la comunicazione come faccio con il cellulare quando non ha campo. È la rete che deve avere la capacità di raggiungere il contatore nel punto in cui si trova.

Flessibilità della rete: sul mercato sono disponibili gateway LoRaWAN sia per esterno che per interno, abilitando una flessibilità nella realizzazione della rete di fondamentale importanza. Prendiamo, ad esempio, la necessità di ripartire i consumi dell’acqua di un condominio. Attualmente la lettura avviene manualmente e una volta l’anno. Quest’attività è ritenuta spesso talmente fastidiosa e costosa che la ripartizione dei consumi dell’acqua avviene per millesimi con inevitabili sprechi di una delle risorse più importanti. Se nel condominio venissero, invece, sostituiti i contatori esistenti con quelli aventi modulo radio LoRaWAN, avrei la possibilità di fornire all’amministratore del condominio uno strumento che consente una lettura giornaliera dei consumi dei singoli condomini, senza che debba muoversi dal suo ufficio. Non solo, avrei la possibilità di dare al singolo condomino la consapevolezza dei propri consumi tramite una semplice app da installare sul suo smartphone. Questo caso, ovviamente, richiede la raggiungibilità del 100% dei contatori, altrimenti l’amministratore non sarebbe in grado di fare alcuna ripartizione dei consumi di acqua. Nel caso in cui la rete dell’operatore che offre tali servizi, non dovesse essere in grado di raggiungere tutti i contatori, avrebbe necessità di densificare la rete con ulteriori gateway. Ma questo non solo è facilmente realizzabile, ma potrebbe accadere anche solo con un gateway da interno di alcune decine di euro.

Sicurezza: come ampiamente descritto in precedenza, ogni dispositivo periferico che viene fabbricato possiede due chiavi di criptazione che vengono fornite dal produttore, garantendo la sicurezza dei dati. Chiaramente il processo di attribuzione e fornitura delle chiavi conta al fine di garantire la sicurezza dei dati.

Semplicità: il meccanismo delle chiavi di criptazione non garantisce soltanto la sicurezza dei dati, ha anche un impatto determinante sulla semplicità di implementazione delle soluzioni sul campo. Vi è mai capitato di associare una cuffietta bluetooth al vostro cellulare? Oppure, di collegare la TV alla rete WiFi di casa? Occorre fare la ricerca del dispositivo. Inserire una password. Attendere il pairing. Fare, insomma, alcuni passi del cosiddetto provisioning che per molti risulta sgradevole e complicato. Il provisioning è necessario per la maggior parte delle tecnologie wireless. Con i sensori LoRaWAN, invece, grazie al meccanismo delle chiavi e alla caratteristica dei gateway che non filtrano i messaggi, ho la possibilità di applicare il sensore e basta.

Facciamo un esempio: per la mia serenità domestica, acquisto un sensore di porta da un operatore LoRaWAN che potrebbe anche fornirmi l’app da installare sul mio smartphone per vedere se ho chiuso o meno la porta di casa quando vado in vacanza. Una volta che ricevo a casa il sensore, posso attaccarlo alla porta autonomamente senza dover fare altro. Senza, cioè, necessitare di un tecnico per l’installazione o per il provisioning.

Lunga durata delle batterie: uno dei feedback negativi riportati da coloro che hanno implementato soluzioni di smart home con altre tecnologie è proprio la necessità di sostituire le batterie ai sensori. Il sensore di porta preso in considerazione nell’esempio precedente, invece, con la tecnologia LoRaWAN, grazie alle caratteristiche precedentemente esposte, potrebbe richiedere la sostituzione della batteria perfino dopo 15 anni.

Ecosistema ricco: nel 2019 erano già oltre 100 milioni i dispositivi periferici LoRaWAN sviluppati nel mondo. Non solo il numero di aziende che fanno parte della LoRa Alliance è notevole, ma anche quello dei produttori di sensori e gateway, così come degli operatori. Un ecosistema estremamente ricco e in continua crescita che garantisce una sana competizione e un’ampia scelta.

Nessun Lock-in: infine, trattandosi di uno standard de facto aperto, l’utente finale ha la garanzia che non si troverà legato a un solo operatore. Potrà scegliere di cambiare operatore senza dover cambiare i dispositivi o l’infrastruttura. Un vantaggio di non poco conto in ambito IoT dove i processi di standardizzazione faticano a progredire.

Fonti: LoRa Alliance e Unidata

Osservatorio IoT Politecnico di Milano, Economyup, IoT Analytics

LoRa® e LoRaWAN® sono marchi di Semtech Corp.

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