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martedì 1 giugno 2021 di 5375 Letture
LoRaWAN cos'è e come funziona il trasferimento dati a lungo raggio

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

Cos'è LoRaWAN e come permette di trasferire dati, seppur con una velocità di trasferimento contenuta, a chilometri di distanza anche fuori dalla copertura di reti WiFi e mobili.

Quando si parla di comunicazioni wireless si pensa generalmente al WiFi o al massimo allo standard Bluetooth. Con la recente presentazione di Amazon Sidewalk si sta cominciando ad accendere un po’ più di interesse a livello mainstream sulle comunicazioni senza fili a lungo raggio.

LoRa è acronimo di long range, 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 per poi essere 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 durante il trasferimento dati lasciano veramente di stucco, il raggio di copertura non è aumentato. Anzi, il segnale WiFi sulle frequenze dei 5 GHz (e presto anche dei 6 GHz) supera con maggiore 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 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 presto proibitivo in termini di flessibilità e costi.

Le performance raggiungibili in fase di trasferimento dati durante 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.

Nonostante lo strato fisico LoRa sia di tipo 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 10 anni). Il tutto utilizzando una potenza paragonabile a quella di un semplice telecomando apricancello.

LoRa può essere usato 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 LoRaWAN come quelli implementati nel microcontroller Arduino MKR WAN 1310 possono colloquiare direttamente tra loro. I dati vengono protetti utilizzando la cifratura AES-128.

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

Sviluppando ulteriormente questo tipo di progetto si può anche utilizzare un gateway Internet LoRaWAN. Il gateway trasferisce i dati raccolti da una serie di sensori sul cloud o comunque su un server remoto utilizzando una connessione cablata, tramite Wi-Fi 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.

Di 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 uno Spreading Factor (SF) ridotto si può arrivare a un bitrate di appena 5.500 bit/s circa.

Da qui ben si comprende quanto LoRaWAN sia un'ottima soluzione per il mondo IoT (ad esempio per controllare lo stato o attivare un cancello, monitorare i movimenti di un animale, monitorare lo stato dei parcheggi, 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,...): in questi casi i dati da trasferire sono frequenti 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.


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