La rivoluzione delle reti LoRaWAN nelle applicazioni IoT Industriali (IIoT)

Il protocollo LoRaWAN è una specifica LPWAN (Low Power Wide Area Network) derivata dalla tecnologia LoRa e standardizzata a cura della LoRa Alliance. Recentemente emersa nel settore dei sistemi di comunicazione nel contesto dell'Internet of Things (IoT), LoRaWAN si presenta nello scenario industriale con un enorme potenziale nelle tipiche applicazioni IoT, come il monitoraggio ambientale industriale e lo Smart Metering. In questo articolo descriveremo un sistema LPWAN specifico, ovvero il LoRaWAN e la relativa valutazione delle sue prestazioni per impieghi IIoT tipici,  con particolare riferimento alle applicazioni di monitoraggio industriale indoor.

Introduzione

Dopo una sintetica descrizione generale di LoRaWAN, si farà cenno ad una valutazione delle prestazioni nello scenario industriale. Inoltre, viene presentato un confronto con il protocollo di rete IEEE 802.15.4, che viene spesso adottato in contesti applicativi simili. Nella descrizione si potrà rilevare la conferma che LoRaWAN può essere considerata un'opportunità fortemente percorribile poiché è in grado di fornire elevata affidabilità e tempestività, garantendo al contempo consumi energetici molto bassi. Nei prossimi anni, la visione dell'IoT dovrebbe essere applicata non solo al mercato consumer ma anche ai settori produttivi, cambiando drasticamente la produzione, l'energia, l'automotive, l'agricoltura e altri settori industriali, in quello che è già stato definito “Industrial IoT” (IIoT). Un rapporto del World Economic Forum afferma che la rivoluzione IIoT avrà un impatto sui settori economici che rappresentano quasi i due terzi del prodotto interno lordo globale, cambiando le basi della concorrenza e ridisegnando i confini dell'industria. Emergeranno nuovi ecosistemi connessi, che consentiranno miglioramenti significativi dell'efficienza operativa e l'avvento di una nuova economia in cui le aziende non forniranno più solo meri prodotti e servizi, ma anche risultati misurabili che creeranno valore aggiunto ai loro clienti. L'implementazione di soluzioni IIoT è un processo complesso in cui viene proposta un'architettura basata sulle funzionalità IIoT con impatto su diverse discipline, come la comunicazione e l'informatica. Rispetto alle comunicazioni tradizionali, l'IoT comprende diversi sistemi eterogenei come reti locali (LAN), reti di sensori wireless (WSN), reti cellulari, reti mesh e ad hoc, la cui interoperabilità è assicurata dall'uso comune dei protocolli Internet esistenti, come il protocollo Internet versione 6 (IPv6). Considerando lo scenario industriale, le applicazioni hanno spesso severi requisiti di qualità del servizio (QoS), in termini di robustezza, affidabilità, latenza, determinismo, efficienza energetica e sicurezza.

Pertanto, è necessaria un'attenta selezione della rete più appropriata per un'applicazione specifica, al fine di soddisfare tali requisiti e fornire soluzioni IIoT efficaci. Inoltre, il vero potenziale dell’IIoT può essere liberato solo quando è prevista un'architettura di comunicazione wireless. Di conseguenza, è necessario analizzare l'idoneità di diverse reti wireless in vista della loro implementazione in applicazioni IoT industriali. A questo proposito, diversi sistemi di comunicazione wireless sono stati presi in considerazione per le applicazioni IoT. Si va da soluzioni a brevissimo raggio come la comunicazione di prossimità (NFC), a quelle a raggio estremamente lungo come WiMAX, e da tecnologie a basso consumo come Bluetooth Low Energy (BLE), a quelle ad alta potenza come le reti cellulari (2G/3G/4G/5G). Sono molto apprezzati anche i numerosi emendamenti allo standard IEEE 802.11 per Wireless LAN (WLAN) e allo standard IEEE 802.15.4 per Wireless Personal Area Network (WPAN). Inoltre, esistono reti di sensori wireless industriali e, più specificamente, reti wireless dedicate per applicazioni industriali, come WirelessHART e ISA 100.11a, attualmente in fase di espansione.

Oltre alle soluzioni summenzionate, nello scenario IoT sono emerse di recente le reti a bassa potenza Wide Area Network” (LPWAN), le più popolari delle quali sono NB-IoT, SigFox, Ingenu Weightless e LoRaWAN. Queste reti, disponibili su bande autorizzate e non, consentono un raggio di comunicazione molto lungo (fino a diversi km) con una durata della batteria estremamente lunga, ma al prezzo di una banda limitata. Attualmente, le LPWAN sono utilizzate principalmente per applicazioni di monitoraggio outdoor, come il monitoraggio ambientale e lo Smart Metering. Tuttavia, le loro caratteristiche sono interessanti anche per le applicazioni IIoT in questo scenario. In effetti, l'efficienza energetica significativamente elevata dei dispositivi LPWAN può rivelarsi davvero interessante per implementazioni IIoT convenienti. Inoltre, la notevole robustezza della comunicazione che consente alle LPWAN di ottenere comunicazioni a lungo raggio può essere utile in applicazioni industriali in cui il canale wireless è spesso compromesso da multipath e fading, dando loro un vantaggio rispetto ad altre tecnologie wireless a bassa potenza.

Reti Wide Area Network a bassa potenza

Le LPWAN sono progettate per offrire connettività economica a un numero elevato di dispositivi a basso consumo, distribuiti su vaste aree geografiche. In questo paragrafo vengono discusse le soluzioni LPWAN più diffuse, con un focus particolare su LoRaWAN.

LoRa e LoRaWAN

Come già accennato, LoRaWAN è un protocollo standard di rete aperto sviluppato da LoRa Alliance, che definisce principalmente il livello MAC (Medium Access Control) e i formati dei messaggi. Si basa su LoRa, un livello fisico proprietario (PHY) sviluppato da Semtech Corporation e derivato dalla tecnica di modulazione dello spettro di diffusione chirp (CSS). In questa tecnologia, ogni simbolo è distribuito in una larghezza di banda fissa B, e la durata del simbolo varia secondo un indice chiamato fattore di diffusione (SF) che può variare tra 7 e 12. Di conseguenza, la durata di un simbolo varia da 1/B*27 e 1/B*212. Questa tecnica di spreading permette di recuperare i dati anche quando la potenza ricevuta è molto bassa (anche sotto il livello di rumore), offrendo così una comunicazione molto robusta, ma al prezzo di una velocità di trasmissione dati ridotta, non superiore a 5,47 kbps. Inoltre, le trasmissioni con diversi fattori di diffusione sono in qualche modo ortogonali tra loro, aumentando la capacità della rete. Le reti LoRaWAN sono utilizzate nelle bande senza licenza (ISM) industriali, scientifiche e mediche: banda 863-870 MHz in Europa e 902–928 MHz negli Stati Uniti. Secondo le normative, in queste bande i dispositivi trasmittenti devono limitare la loro potenza massima a 14 dBm (27 dBm nella sottobanda 869,4-869,65 MHz) e adottare un segnale in trasmissione con duty-cycle 0,1, 1 o 10 percento, secondo la sottobanda impiegata, o adottando la tecnica listen–before–talk–adaptive–frequency–agility (LBT/AFA) (ascolta-prima di parlare-agilità-di-frequenza-adattiva).

Una rete LoRaWAN include tre tipi di entità, ovvero dispositivi finali (ED), gateway (GW) e server di rete (NS). Gli ED sono tipici dispositivi da campo che raccolgono informazioni dai sensori sul campo e, possibilmente, inviano comandi. Sono collegati (tramite collegamenti wireless) a uno o più GW che, a loro volta, sono collegati (tramite un collegamento cablato o cellulare) a un singolo NS, che gestisce l'intera rete e origina le trasmissioni in downlink (se presenti). Non esiste un'associazione esclusiva tra ED e GW e lo stesso messaggio di uplink può essere ricevuto da diversi GW con diverse qualità di segnale. Le specifiche LoRaWAN definiscono tre classi funzionali, vale a dire le classi A, B e C, con la prima obbligatoria per tutti i dispositivi finali LoRaWAN ED. Gli ED di Classe A accedono al canale in modo casuale e possono aprire (al massimo) due finestre di ricezione in slot predefiniti in termini di tempo e frequenza, al termine di ogni trasmissione in uplink, mentre rimangono in modalità sleep per il resto del tempo. I dispositivi di classe B e C si differenziano principalmente per la gestione delle finestre di ricezione: gli ED di classe B possono aprirsi ad intervalli di tempo programmati (vengono sincronizzati con il NS tramite messaggi beacon trasmessi dai GW), mentre quelli di classe C li tengono sempre aperti , sacrificando chiaramente l'efficienza energetica per una bassa latenza. Infine, le specifiche LoRaWAN prevedono meccanismi di autenticazione e crittografia a diversi livelli (dispositivo, rete e applicazione) per garantire l'integrità e la sicurezza delle comunicazioni. [...]

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