Cos'è la tecnologia LoRa e come funziona: una guida approfondita

Se seguite le tendenze tecnologiche o siete interessati all'Internet delle Cose (IoT), probabilmente avrete sentito parlare di "LoRa" o "LoRaWAN". Se ne è parlato ampiamente in articoli di blog sull'influenza che avrà su città intelligenti, agricoltura, monitoraggio industriale e altri settori correlati all'IoT. Potreste già sapere che ha a che fare con le comunicazioni wireless e le reti a lungo raggio. In questo blog, vi fornirò una panoramica di cos'è LoRa, come funziona, i suoi principali vantaggi, le sue applicazioni e consigli per iniziare.

Cos'è la tecnologia LoRa

LoRa, abbreviazione di Long Range, è una tecnologia wireless a radiofrequenza che consente comunicazioni a lungo raggio e a basso consumo tra dispositivi. È esattamente ciò che suggerisce il nome: il lungo raggio significa creare connessioni wireless che coprono distanze molto più lunghe rispetto alle tecnologie tradizionali come Wi-Fi o Bluetooth.

“LoRa® è lo strato fisico o la modulazione wireless utilizzata per creare il collegamento di comunicazione a lungo raggio… LoRa® si basa sulla modulazione a spettro diffuso chirp… LoRa® è la prima implementazione a basso costo per uso commerciale.” Una panoramica tecnica di LoRa® e LoRaWAN™ da LoRa Alliance

Sulla base della definizione precedente, è chiaro che LoRa non è un protocollo di comunicazione, ma una tecnica di modulazione, un modo per codificare i dati su onde radio in modo che i dispositivi possano comunicare tra loro in modo efficiente. In combinazione con lo stack di protocollo LoRaWAN, possiamo costruire una rete di comunicazione a lungo raggio completa per i dispositivi IoT.

La maggior parte della tecnologia wireless segue questo compromesso: più autonomia = più potenzaMa LoRa rompe questo schema. Rispetto alle tradizionali modulazioni ASK e FSK, LoRa si basa sulla modulazione chirp spread spectrum (CSS), che può aumentare notevolmente la portata di comunicazione, raggiungendo una portata di trasmissione di diversi chilometri con un consumo energetico estremamente basso.

La storia di LoRa

Per comprendere LoRa nel contesto giusto, è necessario dare un rapido sguardo alla storia della comunicazione LoRa.

Le fondamenta di quello che è oggi il moderno LoRa sono state sviluppate nel 2009 dai francesi Nicolas Sornin e Olivier Seller, che in seguito hanno fondato l'azienda Cycleo con François Sforza nel 2010. Inizialmente, si concentravano sul settore della misurazione di gas, acqua ed elettricità. Nel 2012, Cycleo è stata acquisita da Semtech.

Solo nel febbraio 2015 è stata fondata la LoRa Alliance®, un'alleanza senza scopo di lucro, per standardizzare e promuovere LoRaWAN (in precedenza denominato LoRaMAC), un protocollo di comunicazione basato sulla modulazione LoRa.

Verso la fine degli anni 2010 si sono verificate numerose implementazioni di LoRa e LoRaWAN, che hanno portato a una diffusa popolarità della tecnologia, soprattutto in Europa, e ad alcuni notevoli successi iniziali.

All'inizio degli anni 2020, il settore delle reti LPWAN (low-power wide-area network) aveva suscitato un notevole interesse a livello globale, al punto che diverse tecnologie concorrenti, come NB-IoT e Sigfox, si contendevano la supremazia sul mercato.

Secondo il Rapporto di fine anno 2024 di LoRa Alliance, ci sono oltre 350 milioni di nodi terminali e 6.9 milioni di gateway con circuiti integrati LoRa distribuiti in tutto il mondo. La LoRa Alliance è ora una delle più grandi alleanze IoT a livello globale. Abbiamo anche iniziato a vedere i dispositivi LoRa e LoRaWAN diventare sempre più comuni. Si prevede che il mercato IoT LoRa e LoRaWAN crescerà dagli 8.0 miliardi di dollari del 2024 a $ 32.7 miliardi entro 2029.

Come funziona LoRa

Un'architettura di rete LoRaWAN è composta da nodi LoRa, gateway LoRa, server di rete e server applicativo. In un'architettura LoRaWAN, i nodi sono tipicamente disposti in una topologia a stella con i gateway che formano un ponte trasparente. La comunicazione con i nodi terminali è generalmente bidirezionale, il che significa che il gateway può raccogliere dati dai nodi terminali, ma può anche inviare comandi a questi ultimi.

Nodi LoRa: I nodi terminali sono gli elementi della rete LoRa in cui viene effettuato il controllo o il rilevamento. Sono normalmente alimentati a batteria e situati in remoto. I nodi terminali inviano dati a tutti i gateway nelle vicinanze e li trasmettono periodicamente, 24 ore su 7, XNUMX giorni su XNUMX.

Gateway LoRa: Il gateway riceve i dati dai nodi finali LoRa e li incanala verso un server di rete. Un gateway LoRa è solitamente costituito da un modulo radio LoRa, un microprocessore e un mezzo di connettività Internet.

Il gateway converte i dati ricevuti dai nodi LoRa in formato TCP/IP tramite la rete backhaul (Ethernet, 3G, 4G, WiFi, ecc.) e li invia al server di rete. Il gateway LoRa supporta transceiver multicanale e multi-modulazione e persino la demodulazione simultanea di segnali sullo stesso canale. Non memorizzano dati e fungono solo da inoltro di pacchetti al server di rete. Un gateway può connettere molti dispositivi terminali. Un SX1301 con 8 canali può gestire circa 1.5 milioni di pacchetti al giorno, supportando circa 62,500 dispositivi che inviano un pacchetto all'ora.

Server di rete: Il server di rete gestisce la rete. Filtra i pacchetti duplicati causati da più gateway che ricevono gli stessi dati, esegue controlli di sicurezza, gestisce il traffico e il routing dei gateway, controlla la velocità adattiva e inoltra i messaggi al server applicativo.

Server dell'applicazione: Il server applicativo elabora i dati provenienti dal server di rete, analizza i dati dei sensori, supporta funzioni quali la visualizzazione dello stato e gli avvisi in tempo reale e può facoltativamente inviare risposte al nodo finale.

Vantaggi e svantaggi della tecnologia LoRa

Comprendere le caratteristiche di LoRa è fondamentale per determinarne le possibili applicazioni. Analizziamo più approfonditamente i pro e i contro di LoRa per aiutarti a capire dove si adatta meglio.

Vantaggi di LoRa:

• Lungo raggio: Collega dispositivi fino a 15-20 km in aree rurali e 2-5 km in aree urbane. Consente una copertura su scala urbana e una buona penetrazione degli edifici.
• Bassa potenza e lunga durata: Progettato per un consumo energetico ridotto, con una durata della batteria prolungata fino a 10 anni. Ad esempio, MOKOSmart Sensore di parcheggio LoRaWAN LW009 può funzionare fino a 5 anni.
• Alta capacità: Un singolo gateway LoRa può gestire milioni di messaggi provenienti da migliaia di nodi finali.
• A basso costo: Basso investimento iniziale nelle infrastrutture, banda di frequenza ISM gratuita e sensori del nodo terminale poco costosi.
• Standard aperto: LoRaWAN è gestito dalla LoRa Alliance. Garantisce una rapida implementazione e l'interoperabilità dei dispositivi.

Svantaggi di LoRa:

• Bassa velocità di trasmissione: LoRa ha una larghezza di banda relativamente limitata e la sua capacità di trasmettere su lunghe distanze comporta velocità di trasmissione dati inferiori, il che lo rende adatto alle reti di sensori e non ad applicazioni con un elevato flusso di dati.
• Carico utile limitato: LoRa supporta solo pacchetti di dati di piccole dimensioni, con una capacità massima di circa 242 byte per trasmissione. Questo lo rende meno adatto a casi d'uso che richiedono grandi trasferimenti di dati.

Applicazioni della tecnologia LoRa

La tecnologia wireless LoRa è ampiamente utilizzata in una varietà di applicazioni. Le capacità a lungo raggio e a basso consumo consentono di distribuire i nodi terminali in un'ampia varietà di luoghi, all'interno di edifici o in aree remote, per trasmettere pacchetti contenenti informazioni importanti al gateway. Ecco alcune applicazioni LoRa comuni:

smart cities – Contatori intelligenti, monitoraggio ambientale, parcheggio intelligente, illuminazione stradale, gestione dei rifiuti e molto altro.

Supply chain e logistica – Monitoraggio e tracciamento delle risorse, monitoraggio della catena del freddo, gestione della flotta.

Agricoltura – Monitoraggio del suolo, controllo dell’irrigazione, tracciamento del bestiame.

IoT industriale – Monitoraggio delle apparecchiature, manutenzione predittiva, automazione.

Monitoraggio delle infrastrutture – Monitorare i binari ferroviari, i ponti e le gallerie per eventuali cambiamenti fisici.

Elettricita, Gas Ed Acqua – Rete intelligente, misurazione del gas/acqua, rilevamento delle perdite, generazione di energia distribuita.

Case ed edifici intelligenti – Controllo HVAC e illuminazione, gestione energetica, monitoraggio dell’occupazione delle stanze.

LoRa vs LoRaWAN: qual è la differenza?

LoRa descrive il livello fisico inferiore, i livelli di rete superiori erano assenti. LoRaWAN è uno dei numerosi protocolli sviluppati per descrivere i livelli superiori della rete. LoRaWAN è un protocollo di livello MAC (Media Access Control) basato su cloud, ma agisce principalmente come protocollo di livello di rete per gestire le comunicazioni tra i dispositivi dei nodi terminali e i gateway LPWAN, come protocollo di controllo, gestito dalla LoRa Alliance. La versione 1.0 delle specifiche LoRaWAN è stata rilasciata a giugno 2015.

LoRaWAN definisce l'architettura del sistema e il protocollo di comunicazione per la rete, mentre il livello fisico LoRa consente il collegamento di comunicazione a lungo raggio.

Quindi in sintesi:

LoRa = modulazione dello strato fisico

LoRaWAN = protocollo e architettura di comunicazione

Insieme forniscono la soluzione completa, che comprende sia la connettività a lungo raggio sia un'architettura di comunicazione di rete flessibile.

LoRa vs altre tecnologie wireless

Esistono alcune differenze tra LoRa e altre tecnologie IoT come NB-IoT, Sigfox e LTE-M. Tra le più importanti:

LoRa opera su bande ISM non soggette a licenza anziché utilizzare lo spettro concesso in licenza come le reti cellulari.

LoRa utilizza una tecnica di modulazione CSS (Chirp Spread Spectrum) unica rispetto agli schemi di modulazione utilizzati da altri protocolli.

LoRa ha protocolli di sicurezza meno robusti rispetto ad altri come NB-IoT.

LoRa ha capacità di trasmissione a lunga distanza più robuste rispetto ad altre tecnologie, come WiFi o Bluetooth.

LoRa viene utilizzato principalmente per applicazioni a lungo raggio e a basso consumo energetico, come il monitoraggio ambientale e l'agricoltura intelligente, mentre altri protocolli come LTE-M sono più adatti ad applicazioni quali la telematica veicolare e le applicazioni IoT mobili.

Tecnologia LoRa: concetti da conoscere

Quando si inizia ad addentrarsi nel mondo di LoRa, può essere un po' complicato comprendere la tecnologia. Per aiutarti a iniziare, ecco alcuni concetti chiave che dovresti conoscere:

• • LoRa (lungo raggio): Questo è il livello fisico o la modulazione wireless utilizzata per creare il collegamento di comunicazione a lungo raggio. Si basa sulla modulazione a spettro diffuso chirp.
  • LoRaWAN (rete WAN LoRa): Un protocollo aperto basato su LoRa che definisce l'architettura del sistema e il protocollo di comunicazione per i dispositivi che utilizzano LoRa.
  • LoRaWAN Classe A, B, C: Diverse classi operative dei dispositivi in LoRaWAN:
    • Classe A: La classe più efficiente dal punto di vista energetico, in cui i dispositivi ascoltano i messaggi di downlink solo brevemente dopo aver inviato una trasmissione di uplink.
    • Classe B: Consente slot di downlink programmati tramite beacon sincronizzati nel tempo, offrendo un equilibrio tra efficienza energetica e latenza.
    • Classe C: Ascolta continuamente i messaggi di downlink, tranne durante la trasmissione, garantendo la latenza più bassa ma il consumo energetico più elevato.
  • LPWAN (Wide Area Network a basso consumo): Un tipo di rete di comunicazione wireless progettata per consentire comunicazioni a lungo raggio a bassa velocità in bit tra dispositivi, ad esempio sensori, alimentati a batteria.
  • ADR (velocità dati adattiva): Una funzionalità di LoRaWAN che ottimizza la velocità dei dati, il tempo di trasmissione e il consumo energetico nella rete.
  • ISM (Industriale, Scientifico e Medico): Si tratta di bande radio riservate a livello internazionale all'uso dell'energia a radiofrequenza per scopi industriali, scientifici e medici.
  • TTN (La rete delle cose): Una rete dati IoT globale, aperta e basata sul crowdsourcing che utilizza LoRaWAN.
  • ABP (Attivazione tramite Personalizzazione): Un metodo di attivazione del dispositivo LoRaWAN in cui le chiavi di sicurezza sono codificate direttamente nel dispositivo.
  • SF (fattore di diffusione): Un parametro in LoRa che determina la velocità del chirp, che influenza la velocità dei dati e la portata della comunicazione.

  Cos'è la LoRa Alliance?

  Come per molti altri sistemi, è stato istituito un organismo industriale per sviluppare e promuovere il sistema wireless LoRa in tutto il settore, denominato Alleanza LoRaÈ stato lanciato nel febbraio 2015. Come afferma l'Alleanza, è stato creato per fornire uno standard globale aperto per la connettività LPWAN IoT sicura e di livello carrier.

  Sebbene LoRa fosse stato sviluppato essenzialmente da Semtech, l'apertura dello standard ha consentito la sua adozione da parte di un ampio numero di aziende, facendo così crescere l'ecosistema e ottenendo un coinvolgimento significativamente maggiore, una più ampia varietà di prodotti e un aumento generale dell'utilizzo e dell'accettazione.

  Tra i membri fondatori della LoRa Alliance figurano Actility, Cisco, Eolane, IBM, Kerlink, IMST, MultiTech, Sagemcom, Semtech e Microchip Technology, oltre ai principali operatori di telecomunicazioni: Bouygues Telecom, KPN, SingTel, Proximus, Swisscom e FastNet (parte di Telkom South Africa).

  Introduzione alla tecnologia LoRa

  In pratica, chiunque può configurare il proprio sistema di comunicazione LoRa. Poiché LoRa opera nella banda di frequenza non soggetta a licenza, non sono necessari costi di licenza per le frequenze. Se si desidera coprire solo un'area limitata con LoRaWAN, è assolutamente sensato gestire gateway e server propri. Volete costruire il vostro sistema? Soluzioni LoRaWAN? È più facile di quanto pensi! Puoi iniziare con diversi dispositivi e soluzioni LoRaWAN MOKOSmart.

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  • Quali sono le differenze tra LoRa e LoRaWAN
  • Come invia e riceve dati il sensore LoRa
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