LoRaWAN

Una delle componenti fondamentali per l’implementazione dell’IoT e dello sviluppo di soluzioni IoE è una rete a cui i vari sensori sono connessi che risponda a requisiti di elevata penetrazione, elevata copertura e ridotti consumi. Per contro le caratteristiche dell’IoT che non necessita di monitoraggi real-time, ma solo a fronte di variazioni delle grandezze misurate, non richiede elevati bitrate.

Di seguito una schematizzazione dei requisiti dei sevizi di rete dell’IoT:

La risposta a questi requisiti sono le tecnologie LPWA (Low power wide area) che vengono appunto utilizzate per connettere sensori e sono caratterizzate da basse velocità, scambio di poche decine o centinaia di bit, elevata durata delle batterie anche maggiori di 10 anni.

Al momento si stanno diffondendo due soluzioni concorrenti: la tecnologia LoRa (Long Range) WAN, nata dal contributo di varie aziende unitesi nella LoRa Alliance, e i servizi erogati da SIGFOX con tecnologia proprietaria.

Di seguito una comparazioni tra LoRa, SIGFOX e altre tecnologie di trasmissione via radio pubblicate sulla White Paper Nokia LTE-M – Optimizing LTE for the Internet of Things del 2015:

Da cui si nota come le soluzioni SIGFOX e LoRa abbiano il pregio di sfruttare frequenze libere, inoltre dal confronto pubblicato nel seguente articolo Low Power, Wide Area A Survey of Longer-Range IoT Wireless Protocols del 7 settembre 2015 risulta evidente come le tecnologie basate su LPWA ben si sposano con i requisiti dell’IoT.

Il confronto che rende però più evidente come LPWA sia decisamente interessante in contesti IoT e IoE è quello disponibile nella presentazione LPWAN LOW POWER WIDE AREA NETWORK OVERVIEW OF EMERGING TECHNOLOGIES FOR LOW POWER WIDE AREA NETWORKS IN INTERNET OF THINGS AND M2M SCENARIOS di Peter R. Egli (indigoo.com) del 2015 in cui appare evidente come tale tecnologia consenta una grande copertura a fronte di costi e consumi energetici ridotti.

Nell’articolo Low power wide-area networking alternatives for the IoT del 15 settembre 20145 è invece possibile trovare un confronto tra le varie tecnologie Low-Power WAN da cui è possibile valutare le differenze tecniche tra LoRaWAN e SIGFOX

Lo sviluppo e la standardizzazione di LoRa WAN tramite la LoRa Alliance è stata annunciata da IBM Research e Semtech il 17 Marzo 2015 nel comunicato stampa La tecnologia di rete a basso consumo di IBM e Semtech aiuta le aziende di telecomunicazione a lanciare nuovi servizi per l’Internet of Things in cui la nuova tecnologia basata su wide-area network a basso consumo (LPWAN) viene proposta come la risposta alle difficoltà tecniche dell’ Internet of Things (IoT) descrivendone i punti di forza e i vantaggi rispetto alle reti cellulari e wifi per le comunicazioni machine to machine (M2M).

“Per anni, l’enorme potenziale dell’Internet of Things (IoT) per le aziende – raccolta dati da diversi dispositivi, la loro analisi ed elaborazione per un processo decisionale più rapido e veloce – è stato frenato da difficoltà tecniche quali una durata limitata della batteria, distanze di comunicazione brevi, costi elevati e mancanza di regole.”

“La tecnologia chiamata LoRaWAN (Long Range wide-area network), risolve questi problemi. Basata su nuova specifica e protocollo per le reti wide-area a basso consumo che utilizzano uno spettro wireless senza licenza, la tecnologia è in grado di collegare i sensori sulle lunghe distanze, offrendo nel contempo una durata ottimale della batteria e richiedendo un’infrastruttura minima. Questo consente di offrire vantaggi quali mobilità, sicurezza, bi-direzionalità e localizzazione/posizionamento migliorati, oltre a costi più bassi.”

“I sensori LoRaWAN sono in grado di comunicare a distanze superiori ai 100 km (62 miglia) in ambienti favorevoli, 15 km (9 miglia) in ambienti semi-rurali e a più di 2 km (1,2 miglia) in ambienti urbani densamente popolati ad una velocità di dati da 300 bit a 100 kbit. Questo li rende adatti all’invio di quantità di dati contenute, come le coordinate GPS e le letture del clima che la banda larga non è in grado di raggiungere. I sensori richiedono inoltre pochissima energia, la maggior parte di loro può funzionare per più di 10 anni con una sola batteria AA e, inoltre, le chiavi AES128 rendono praticamente impossibile l’intercettazione e la manomissione delle comunicazioni.”

La LoRa Alliance è un’associazione aperta, non-profit ha come mission lo sviluppo e la standardizzazione delle Low Power Wide Area Networks (LPWAN) implementate in tutto il mondo per l’attivazione di Internet of Things (IoT),

Scendendo nel dettaglio l’architettura di una rete LoRaWAN prevede una tipologia a stella di stelle in cui il Gateway è un bridge trasparente per i messaggi tra Devices e il Network Server. I Gateway sono connessi al Network server tramite una connessione basata sollo standard IP, mentre i Device utilizzando una comunicazione wireless single-hop verso uno o più Gateway. La comunicazione verso i Device è in generale bidirezionale, ma può anche supportare il muticast per gestire l’aggiornamento o la distribuzione massiva di messaggi per ridurre i tempi di comunicazione.

Per aumentare la sicurezza delle trasmissioni LoRaWAN prevede tre layer di crifratura:

  • Una Unique Network key (EUI64) per garantire la sicurezza a livello di rete
  • Unique Application key (EUI64) per garantire la sicurezza a livello applicativo
  • Una Device specific key (EUI128)

LoRaWan prevede tre classi di Device per gestire le differenti necessità delle applicazioni IoT:

  • Bi-directional end-devices (Class A) che consentono la comunicazione bidirezionale in cui ogni trasmissione da parte del Device è seguita da due brevi finestre di ricezione.
  • Bi-directional end-devices with scheduled receive slots (Class B) che consentono la comunicazione bidirezionale come in Device in classe A, ma in aggiunta prevedono una finestra di ricezione casuale.
  • Bi-directional end-devices with maximal receive slots (Class C) che prevedono una finestra di ricezione costantemente aperta tranne durante la tramissione.

LoRaWAN è stata scelta come infrastruttura di rete su cui sviluppare The Things Network, il progetto che si propone di realizzare una rete di dati IoT creata dalle persone, libera e a disposizione di tutti. La prima rete The Things Network è stata realizzata ad Amsterdam tramite 10 Gateway LoRaWAN in sole 6 settimane e sonom poi seguite reti in altre città varie altre citta del modo comprese alcune città Italiane come ad esempio Roma, Milano e Torino e molte altre. Per la mappa completa delle community The Things Network si veda il link https://thethingsnetwork.org/map.

Per maggiori informazioni si vedano le LoRaWAN White Papers pubblicate sul sito della LoRa Alliance dove è anche possibile visualizzare la lista dei membri dell’alleanza suddivisa per Sponsor, Contributor, Adopter e Institutional.