Protocollo di comunicazione Wireless: LoRaWAN

Lora Overview Applications 1

Loraarchitecture

LoRa ( Long Range) è una tecnica di modulazione a spettro espanso derivata dalla tecnologia di chirp spread spectrum (CSS) ed è la prima implementazione a basso costo dello spettro di diffusione di chirp per uso commerciale. È stato sviluppato da Cycleo di Grenoble, in Francia, e acquisito da Semtech nel 2012, membro fondatore di LoRa Alliance.
I dispositivi LoRa di Semtech e la tecnologia wireless a radiofrequenza Long Range (tecnologia LoRa) sono un chipset wireless a lungo raggio e bassa potenza che viene utilizzato nell’implementazione di molte reti di dispositivi Internet of Things (IoT) in tutto il mondo. LoRa è un protocollo di comunicazione che compete con altre reti wireless a bassa potenza ( LPWAN ) come IoT a banda stretta (NB IoT) o LTE Cat M1 e SigFox.
LoRa utilizza bande di radiofrequenza sub-gigahertz libere come 433 MHz, 868 MHz (Europa) e 915 MHz (Nord America) consentendo trasmissioni a lungo raggio (oltre 10 km nelle zone rurali, 3-5 km in zone fortemente urbanizzate) a basso consumo energetico.

Vantaggi dall’impiego di LoRaWAN

Long Range: penetra nell’area urbana ed extraurbana con una copertura per singolo gateway di 5 km in area urbana e di 10 km in area extraurbana.

Low Power: le batterie dei sensori possono durare fino a 10 anni, senza necessità di connessione alla rete elettrica.

High Capacity: gestisce milioni di messaggi per ogni stazione di monitoraggio/sensore.

Geolocation: supporta il servizio di geo-localizzazione senza GPS offrendo vantaggi unici a bassa potenza.

Standardised: assicura interoperabilità tra applicazioni, Provider di servizi IoT e Provider di servizi di Telecomunicazioni.

Security: garantisce privacy e protezione dei dati attraverso un sistema di crepitazione (Embedded end-to-end AES-128 encryption).

Low Cost: l’infrastruttura e i nodi hanno bassi costi di manutenzione e di consumo energetico.

Mobile: mantiene la comunicazione con i dispositivi in movimento senza consumi addizionali di batteria

 

Tecnologia LoRaWAN

Facendo riferimento ai livelli ISO/OSI, la tecnologia è presentata in due parti: LoRa, lo strato fisico e LoRaWAN (Long Range Wide Area Network), gli strati superiori. Poiché LoRa definisce il livello fisico inferiore, mancavano i livelli di rete superiori. LoRaWAN è uno dei numerosi protocolli sviluppati appunto, per definire gli strati superiori della rete;  è un protocollo di livello MAC (Media Access Control) basato su cloud ma funge principalmente da protocollo di livello di rete per la gestione delle comunicazioni tra gateway LPWAN (Low Power Wide Area Network) e dispositivi end-node come protocollo di routing, gestito da LoRa Alliance. La versione 1.0 della specifica LoRaWAN è stata rilasciata nel 2015. La versione 1.1 nel 2017. LoRaWAN definisce il protocollo di comunicazione e l’architettura del sistema per la rete, mentre il livello fisico LoRa permette il collegamento di comunicazione a lungo raggio.
LoRaWAN è anche responsabile della gestione delle frequenze di comunicazione, della velocità dei dati e dell’alimentazione per tutti i dispositivi: I dispositivi nella rete sono asincroni e trasmettono quando hanno dati disponibili per l’invio; I dati trasmessi da un dispositivo (detto end-point) vengono ricevuti da più gateway, che inoltrano i pacchetti di dati a un server di rete (o Network Server) centralizzato. Il server di rete filtra i pacchetti duplicati, esegue controlli di sicurezza e gestisce la rete, per poi inoltrare i dati ai server delle applicazioni. La tecnologia mostra un’elevata affidabilità per il carico moderato, tuttavia presenta alcuni problemi di prestazioni relativi all’invio di
acknowledgement.

Tutti i dispositivi LoraWAN devono implementare almeno le funzionalità della Classe A e opzionalmente quelle della Classe B e Classe C:

● I dispositivi Classe A sono alimentati a batteria, quando un uplink è spedito al server il device apre due piccole finestre per eventuali comandi, se il server non è in grado di inviare un downlink nelle due piccole finestre, dovrà aspettare fino al prossimo uplink.

● I device Classe B sono alimentati a batteria, in aggiunta alle due finestre della Classe A, la Classe B ha una finestra extra per i downlink, che viene aperta in momenti pianificati. Questa finestra è sincronizzata con il server attraverso un Beacon del gateway e viene utilizzata dal server per sapere quando il device è in ascolto.

● I device Classe C sono alimentati elettricamente, le finestre di ricezione per i downlink sono quasi sempre aperte, l’unico momento in cui sono chiuse è durante la trasmissione.

LoRaArchitecture

Struttura del Network LoRaWAN

Il protocollo e l’architettura della rete sono i fattori di maggiore influenza sull’autonomia delle batterie di un nodo, la capacità della rete, la qualità del servizio, la sicurezza e le differente applicazioni servite dalla rete. Molte reti esistenti utilizzano un’architettura di rete ”mesh”, dove i singoli nodi finali inoltrano le informazioni di altri nodi per aumentare il raggio di comunicazione e le dimensioni delle celle della rete.  Mentre questo aumenta
il raggio di azione, aggiunge anche complessità alla rete, ne riduce la capacità e riduce l’autonomia di vita visto che i nodi ricevono e trasmettono informazioni da altri nodi che sono probabile irrilevanti.
In un network LoRaWAN, invece, i nodi di rete non sono associati con un gateway specifico: i dati trasmessi da un nodo sono tipicamente ricevuti da più gateway che a loro volta inoltrano il pacchetto ricevuto dal nodo finale, al server di rete cloud tramite alcuni ”backhaul” (cellulare, Ethernet, satellite o Wi-Fi). Questa apparente complessità è coordinata dal server di rete, che gestisce la rete e filtra i pacchetti ridondanti ricevuti, effettua controlli di sicurezza, pianifica acknowledgments attraverso il gateway ottimale, amministra la velocità di trasferimento dei dati, ecc.  In questo modo, che un nodo sia mobile o in movimento non è necessario il passaggio di consegne from gateway to gateway, caratteristica critica per consentire, ad esempio, la tracciabilità / monitoraggio degli asset e delle attività, principale obiettivo nelle applicazioni pratiche di servizi IoT.

Sicurezza LoraWAN

Come in tutte le reti LPWAN, la sicurezza ricopre un ruolo molto importante. LoraWAN utilizza due livelli di sicurezza: uno a livello rete e uno a livello applicazione: la sicurezza a livello rete assicura autenticità dei nodi nella rete, mentre quello applicativo assicura che gli operatori di rete non hanno accesso ai dati dell’applicazione utente.
Lo scambio delle chiavi di sicurezza avviene tramite cifratura AES, utilizzando un identificatore IEEE EUI64, i device LoRaWANTM hanno due modi per eseguire un join con il network. Il primo si chiama OTAA, Over-the-Air-Activation: questa modalità prevede che il device e il network si scambino una chiave a 128 bit chiamata AppKey. Quando il device spedisce la richiesta per effettuare il join, l’AppKey viene utilizzata per creare un Message Integrity Code (MIC), dopodiché il server controlla il MIC utilizzando l’AppKey. Se il controllo viene passato, il server crea due nuove chiavi a 128 bit, l’ App Session Key (AppSkey) e la Network Session Key (NwkSkey). Queste chiavi sono spedite indietro al device, criptate utilizzando l’AppKey
come chiave di criptazione. Quando le chiavi vengono ricevute, il device le decripta e le installa.
La seconda modalità per effettuare un join si chiama ABP, Activation by Personalization. Questa modalità prevede che le chiavi di sessioni vengano inserite manualmente dall’utente, tuttavia questo potrebbe causare problemi di sicurezza.

Casi di Utilizzo

Il protocollo LoRaWAN offre la connettività adatta per soluzioni IoT che dipendono da comunicazioni long-range a basso consumo ma, nello stesso tempo, richiedono la certezza che la rete sarà supportata per tutta la durata degli asset e dei relativi prodotti; questo protocollo fornisce interoperabilità tra gli oggetti intelligenti, senza la necessità di installazioni locali complesse e fornisce la libertà per l’utente, per gli sviluppatori e le aziende di sviluppare innovative applicazioni IoT. Negli ultimi anni queste tecnologie si stanno diffondendo in nuove soluzioni e servizi che hanno come obiettivo l’aumento della qualità della vita delle persone, il miglioramento dei processi produttivi e dell’utilizzo di beni e servizi, in altre parole si parla di smart cities e smart metering. Approfondiamo quindi questi due concetti:

Smart City

Le città intelligenti, hanno alla base delle loro infrastrutture tecnologiche le reti LPWA che permettono di implementare soluzioni per una città piu sostenibile e connessa, in grado di incrementare la sicurezza ed il benessere dei cittadini. In particolare è possibile monitorare e controllare i parcheggi, il traffico, l’illuminazione pubblica, la raccolta dei rifiuti, lo stato di salute delle infrastrutture e dei monumenti, la qualità dell’aria ed il livello dell’inquinamento; in ambito abitativo è possibile controllare consumi di acqua e di energia, controllare da remoto dispositivi, apparecchiature, temperature, sistemi antifurto. È inoltre possibile controllare sistemi di irrigazione, la geolocalizzazione di veicoli, persone ed animali. La tecnologia LoRaWAN svolge un ruolo importante in questo, fornendo un modo efficiente per raccogliere e analizzare dati provenienti da migliaia di dispositivi e sistemi di rete, in aggiunta al vantaggio intrinseco del segnale LoRaWAN di poter penetrare relativamente profondamente nelle dense aree urbane. In aggiunta LoRaWAN ha un consumo di energia estremamente ridotto e le batterie nei sensori possono durare fino a 10 anni, riducendo significativamente il tempo, le spese dei costi e di personale per la manutenzione, questo anche a causa della bassa frequenza di invio di dati rispetto ad altri protocolli (come ad esempio ZigBee).

Smart Metering

La misurazione intelligente è un modo per le aziende di tenere traccia non solo di quanta energia stanno usando, ma di raccogliere dati per effettuare analisi approfondite di utilizzo; registrano una varietà di dati sul consumo, quando una risorsa viene utilizzata, quanto alla volta e dove viene diretta. Con la rete LoRaWAN, i sensori possono essere integrati in qualsiasi sistema di controllo e monitoraggio e quindi, tramite gateway, inviare le informazioni a un server cloud pubblico o privato, per la loro analisi. Questi sistemi di edifici intelligenti sono in grado di monitorare gli scenari in real time e di attuare un sistema di manutenzione predittiva, per prevedere eventuali interventi e sviluppare soluzioni mirate cosi da ridurre notevolmente i costi di manutenzione e tempi di downtime; sarà possibile inoltre, migliorare l’efficienza e la gestione delle risorse, grazie ad allarmi specifici, oppure operare la tele-gestione di impianti remoti, tramite attuatori intelligenti.

LoRaWAN e BOX-IO

BOX-IO è la nostra piattaforma di sviluppo IoT White Label e multiprotocollo che supporta pienamente la tecnologia LoRaWAN, questo protocollo di comunicazione wireless ci permette di controllare e monitorare aree di ampie dimensione. Il sistema ha la caratteristica di non necessitare di cablaggi e di manutenzioni invasive, permettendo di ridurre drasticamente i costi di installazione e di infrastruttura.

Attraverso LoRaWAN, BOX-IO è in grado di inviare dati e controllare scenari su aree più o meno vaste, mentre con la nostra scheda Lizard possiamo connettere e integrare velocemente qualsiasi device tradizionale RS485 sfruttando proprio il protocollo LoRaWAN.

Box Caseindoor Lizard-Board
BOX-IO Edge Gateway LoRaWAN con enclosure indoor  Scheda Lizard multisensore LoRaWAN – RS485 – I2C

 

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