Che cos’è LoRaWAN? Guida alla connettività IoT a lungo raggio

A differenza degli standard IoT cellulari come NB-IoT e LTE-M, LoRaWAN non funziona sulle reti degli operatori di telefonia mobile. In genere opera su spettro non soggetto a licenza tramite gateway di proprietà o in condivisione con l’azienda che lo implementa, il che è proprio ciò che lo rende un punto di forza in alcune implementazioni e un vero e proprio limite in altre. Questa guida spiega come funzionano effettivamente l’architettura di rete e la tecnologia radio di LoRaWAN, come si confronta tecnicamente con l’IoT cellulare e come decidere quale delle due soluzioni sia più adatta a una determinata implementazione.

Punti chiave:

• LoRaWAN utilizza la modulazione CSS (Chirp Spread Spectrum) per privilegiare la portata e l’efficienza energetica a scapito della velocità di trasmissione dati, consentendo ai dispositivi di trasmettere a diversi chilometri di distanza con una batteria di piccole dimensioni in grado di durare anni.
• Una rete LoRaWAN è composta da dispositivi finali, gateway, un server di rete, un server di join e un server applicativo, con i gateway che inoltrano il traffico radio grezzo anziché elaborarlo localmente.
• LoRaWAN definisce tre classi di dispositivi, A, B e C, ciascuna delle quali bilancia l’efficienza energetica con la velocità con cui un dispositivo può ricevere messaggi in downlink.
• In Europa, LoRaWAN opera tipicamente nella banda UE a 868 MHz con un limite di ciclo di lavoro dell’1%, che limita la frequenza con cui un dispositivo può trasmettere.
• Il compromesso fondamentale rispetto all’IoT cellulare è la proprietà dell’infrastruttura: LoRaWAN richiede l’implementazione e la manutenzione dei propri gateway, mentre NB-IoT e LTE-M funzionano su reti cellulari esistenti gestite dagli operatori.
• Com4 fornisce connettività IoT cellulare tramite NB-IoT, LTE-M, 4G e 5G e aiuta le aziende a valutare se LoRaWAN, la tecnologia cellulare o una soluzione ibrida tra le due sia effettivamente adatta alla loro implementazione.

Cosa significa in realtà LoRaWAN e quale problema risolve?

LoRaWAN sta per Long Range Wide Area Network ed è il livello di protocollo di rete basato su LoRa (Long Range), la tecnologia di modulazione radio fisica da cui prende il nome. Il problema che LoRaWAN è stato progettato per risolvere è specifico: connettere un gran numero di dispositivi semplici, alimentati a batteria, che devono inviare ciascuno solo messaggi brevi e sporadici, come una lettura della temperatura o un ping di stato, su distanze che un tipico protocollo a corto raggio come il Wi-Fi o il Bluetooth non è in grado di raggiungere. È gestito e standardizzato dalla LoRa Alliance, un gruppo industriale che regola le specifiche LoRaWAN e i piani di frequenza regionali.

Come funziona effettivamente la tecnologia radio di LoRaWAN?

Il livello fisico di LoRaWAN, LoRa, utilizza una tecnica di modulazione chiamata Chirp Spread Spectrum (CSS). Anziché trasmettere su una frequenza fissa e stretta, la CSS diffonde il segnale su una larghezza di banda più ampia utilizzando i cosiddetti “chirp”, segnali la cui frequenza varia verso l’alto o verso il basso nel tempo. È proprio questa diffusione a conferire a LoRa il suo compromesso caratteristico: sacrifica la velocità di trasmissione dei dati in cambio della capacità di recuperare un segnale molto debole e a lungo raggio dal rumore di fondo; ecco perché un singolo gateway LoRaWAN può coprire diversi chilometri in terreno aperto, ben oltre la copertura di una tipica cella cellulare o di un punto di accesso Wi-Fi.

Un parametro chiave in questo compromesso è il fattore di diffusione, che può essere impostato in un intervallo compreso tra 7 e 12. Un fattore di diffusione più elevato estende la portata e migliora l’affidabilità, ma riduce la velocità di trasmissione dei dati e aumenta il tempo in cui la radio deve rimanere accesa, il che consuma più rapidamente la batteria. Le reti LoRaWAN gestiscono questo aspetto automaticamente tramite l’Adaptive Data Rate (ADR), un meccanismo in cui il server di rete regola individualmente il fattore di diffusione e la potenza di trasmissione di ciascun dispositivo, con l’obiettivo di utilizzare la potenza e il tempo di trasmissione minimi necessari per una connessione affidabile, il che prolunga direttamente la durata della batteria in tutta l’implementazione.

Come è strutturata effettivamente un’architettura di rete LoRaWAN?

Un'implementazione LoRaWAN è costituita da cinque componenti:

• Dispositivi finali. I sensori, i localizzatori o i contatori che raccolgono e inviano effettivamente i dati.
• Gateway. Ricevitori radio fisici che captano le trasmissioni LoRa da qualsiasi dispositivo terminale nel raggio d’azione e le inoltrano, senza elaborarle, al server di rete tramite una connessione di backhaul come Ethernet, Wi-Fi o una SIM cellulare.
• Server di rete. Il sistema centrale che deduplica i messaggi ricevuti da più gateway, gestisce le sessioni dei dispositivi, esegue l’algoritmo ADR e pianifica il traffico in downlink.
• Server di accesso. Gestisce l’autenticazione dei dispositivi e la gestione delle chiavi quando un dispositivo terminale si collega alla rete, in genere utilizzando l’attivazione Over-The-Air (OTAA), il metodo raccomandato e più sicuro, piuttosto che il vecchio approccio di attivazione tramite personalizzazione (ABP).
• Server delle applicazioni. È qui che i dati delle applicazioni decriptati vengono infine inviati, pronti per la logica di business e i dashboard che li utilizzano effettivamente.

Il dettaglio architettonico importante in questo caso è che i gateway in LoRaWAN non elaborano né prendono decisioni sui dati che ricevono; si limitano semplicemente a inoltrare i pacchetti radio grezzi a monte. Ciò differisce dalle stazioni base cellulari, che gestiscono l’autenticazione e la gestione del traffico a livello locale presso la torre. È anche il motivo per cui la pianificazione della copertura LoRaWAN è interamente a carico dell’azienda che implementa la rete: ogni gateway deve essere acquistato, installato e sottoposto a manutenzione, senza l’equivalente di una rete radio nazionale esistente di un operatore che svolga automaticamente tale lavoro.

Quali sono le classi di dispositivi LoRaWAN e perché sono importanti?

LoRaWAN definisce tre classi di dispositivi, ciascuna delle quali rappresenta un diverso compromesso tra efficienza energetica e reattività del downlink:

Ogni dispositivo LoRaWAN supporta la Classe A come standard di base, poiché rappresenta il livello minimo di efficienza energetica previsto dalle specifiche. Le Classi B e C offrono una maggiore reattività a scapito della durata della batteria; ecco perché la maggior parte delle implementazioni su larga scala di sensori alimentati a batteria utilizza di default la Classe A, a meno che un caso d’uso specifico non richieda effettivamente un downlink più veloce.

Quale banda di frequenza utilizza LoRaWAN in Europa e quali limiti si applicano?

In Europa, comprese la Norvegia e la regione nordica in senso lato, LoRaWAN opera nella banda UE a 868 MHz, utilizzando lo spettro ISM senza licenza intorno ai canali a 868,1, 868,3 e 868,5 MHz. Poiché questo spettro è senza licenza e condiviso, le normative europee impongono un limite al ciclo di lavoro, in genere pari all’1% nei canali primari a 868 MHz dell’UE, il che significa che un dispositivo può trasmettere solo per una piccola frazione di una data finestra temporale. Questo limite rappresenta un vincolo progettuale intenzionale volto a impedire che una singola rete monopolizzi lo spettro condiviso e rafforza il posizionamento fondamentale di LoRaWAN: messaggi sporadici e di piccole dimensioni, non dati continui o ad alta frequenza.

LoRaWAN vs. IoT cellulare (NB-IoT, LTE-M): quali sono le differenze concrete?

La differenza architettonica determinante è la proprietà dell’infrastruttura. NB-IoT e LTE-M si avvalgono dell’infrastruttura cellulare esistente degli operatori di rete, quindi un’azienda ottiene una copertura operativa a livello nazionale nel momento stesso in cui viene attivata una SIM. LoRaWAN comporta generalmente l’implementazione di gateway propri o l’abbonamento a una rete regionale condivisa, ove esistente; ciò garantisce un maggiore controllo sulla rete e può risultare più economico su larga scala in un unico sito fisso, ma trasferisce l’intero onere della pianificazione della copertura, della manutenzione dei gateway e della connettività di backhaul all’azienda che gestisce l’implementazione.

Quando è opportuno scegliere LoRaWAN?

LoRaWAN tende ad essere la scelta giusta quando si verificano contemporaneamente diverse delle seguenti condizioni:

• Si ha il controllo del sito di implementazione, come un complesso industriale, un’azienda agricola, un porto o un edificio, e si è in grado di installare e mantenere i propri gateway.
• I dispositivi sono numerosi, a basso costo e inviano payload molto piccoli e sporadici, come letture dell’umidità del suolo, tag di identificazione delle risorse o dati di monitoraggio ambientale.
• Una lunga durata della batteria, misurabile in anni anziché in mesi, è un requisito imprescindibile.
• I dispositivi non devono spostarsi al di fuori di un’area di copertura fissa e nota.
• Il costo di implementazione dei gateway è giustificato dal numero di dispositivi che serviranno nel corso della vita utile del sito.

Quando l’IoT cellulare rappresenta la scelta migliore?

Se i dispositivi devono funzionare ovunque vi sia copertura mobile, senza che un’azienda debba implementare e mantenere una propria infrastruttura radio, l’IoT cellulare è generalmente la soluzione più adatta. Ciò vale chiaramente per i beni mobili che si spostano tra e oltre i siti fissi, per le implementazioni distribuite in molte località separate dove l’installazione di gateway ovunque sarebbe impraticabile, e per qualsiasi implementazione in cui la copertura a livello nazionale o transfrontaliera sia più importante dei risparmi marginali sui costi che LoRaWAN può offrire in un singolo sito ad alta densità.

LoRaWAN e l’IoT cellulare possono funzionare insieme?

Sì, e per molte aziende la risposta giusta non è né LoRaWAN né l’IoT cellulare, ma una combinazione di entrambi. Un modello ibrido comune utilizza LoRaWAN per una copertura fitta e a basso costo dei sensori all’interno di un sito fisso, per poi collegare il gateway stesso a Internet tramite una SIM cellulare anziché un’infrastruttura di linea fissa, combinando il basso costo per dispositivo di LoRaWAN con la connettività onnipresente e senza infrastruttura della rete cellulare a livello di gateway. La guida di Com4 su come espandere l’IoT oltre LoRaWAN con la connettività cellulare e ibrida approfondisce questo approccio ibrido.