27. April 2024

LoRa

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Che cos’è LoRa?

LoRa sta per “Long Range, low Power” e si riferisce a una tecnologia di comunicazione wireless sviluppata per trasmettere dati su lunghe distanze. Questa tecnologia è ampiamente utilizzata per l’Internet degli oggetti (IoT) e le comunicazioni Machine-to-Machine (M2M). LoRa consente di trasmettere dati in modalità wireless su lunghe distanze con un basso consumo energetico, il che la rende particolarmente adatta ai dispositivi alimentati a batteria e alle applicazioni che richiedono una lunga durata della batteria.

Le caratteristiche principali di LoRa sono:

  1. Lunga portata: la tecnologia LoRa consente di trasmettere dati su distanze che vanno da alcuni chilometri a decine di chilometri, a seconda delle condizioni ambientali e dell’hardware utilizzato.
  2. Basso consumo energetico: i dispositivi LoRa sono efficienti dal punto di vista energetico e possono quindi funzionare con batterie o altre fonti di alimentazione a basso consumo. Questo li rende ideali per le applicazioni in cui il consumo di batteria deve essere ridotto al minimo.
  3. Basse velocità di trasmissione dati: LoRa offre una velocità di trasmissione dati relativamente bassa rispetto ad altre tecnologie wireless come il Wi-Fi o il 4G/5G. Tuttavia, è sufficiente per molte applicazioni IoT in cui è necessario trasmettere solo piccole quantità di dati occasionali.
  4. Lunga durata delle batterie: grazie al basso consumo energetico e all’efficienza dei dispositivi LoRa, spesso possono essere utilizzati per anni senza sostituire le batterie.

LoRa si basa su una tecnologia di modulazione che consente di ricevere i segnali anche in condizioni di scarsa ricezione. Questa tecnologia viene spesso utilizzata insieme a una LoRaWAN (LoRa Wide Area Network), un protocollo di rete wireless appositamente progettato per la comunicazione con i dispositivi LoRa. LoRaWAN consente la comunicazione tra i dispositivi LoRa e un server centrale della rete LoRaWAN, che elabora e inoltra i dati raccolti dai dispositivi.

LoRa e LoRaWAN hanno un’ampia gamma di applicazioni, tra cui le città intelligenti, il monitoraggio ambientale, il tracciamento degli asset, l’agricoltura, gli edifici intelligenti e altro ancora. Offrono un modo economico per fornire connettività wireless alle applicazioni IoT distribuite su ampie aree geografiche.

Larghezza di banda e portata

LoRaWAN è adatto alla trasmissione di piccoli payload (come i dati dei sensori) su lunghe distanze. La modulazione LoRa offre una portata di comunicazione significativamente maggiore con una larghezza di banda inferiore rispetto ad altre tecnologie di trasmissione dati wireless concorrenti. La figura seguente mostra alcune tecnologie di accesso che possono essere utilizzate per la trasmissione di dati wireless e le loro portate di trasmissione previste rispetto alla larghezza di banda.

Bande di frequenza

Ecco le bande di frequenza più comuni per LoRa (a seconda della regione e dei requisiti normativi):

  1. 868 MHz: In Europa, è la banda di frequenza più comunemente utilizzata per la tecnologia LoRa grazie alle sue eccellenti caratteristiche di portata e penetrazione. In Nord America, viene utilizzata la banda di 915 MHz. Le gamme di frequenza esatte possono variare a seconda del Paese, in quanto le autorità di regolamentazione determinano l’uso di determinate frequenze.
  2. Banda a 433 MHz: la banda a 433 MHz è utilizzata per le comunicazioni LoRa anche in Svizzera, sebbene sia meno comune della banda a 868 MHz. Questa banda è adatta alle applicazioni radioamatoriali.
  3. Banda a 2,4 GHz: in alcune regioni, LoRa è utilizzato anche nella banda a 2,4 GHz. Questa banda è utilizzata in tutto il mondo per la WLAN e altre tecnologie wireless, pertanto l’uso di LoRa nella banda a 2,4 GHz può essere soggetto a forti interferenze.

Velocità di trasmissione

La velocità di trasmissione di LoRa nella banda sub-GHz varia da un massimo di 125 bps (bit al secondo) a pochi bit al secondo quando si desidera una lunga portata, a seconda della configurazione.

Potenza di trasmissione

La potenza di trasmissione dei dispositivi abituali è di 15dBm. Solo l’1% del tempo può essere trasmesso.

Tipo di modulazione “Chirp Spread Spectrum” (CSS)

LoRa (Long Range) utilizza un tipo speciale di modulazione chiamata “Chirp Spread Spectrum” (CSS). Il Chirp Spread Spectrum è un tipo di modulazione di frequenza in cui la frequenza del segnale portante cambia linearmente nel tempo, il che viene chiamato “chirp”. Questo chirp richiede una larghezza di banda molto ampia (in genere 125 kHz).

LoRa utilizza tre diverse larghezze di banda: 125kHz, 250kHz e 500kHz (in questo esempio si utilizza 125kHz). I simboli LoRa sono modulati su un up-chip di 125kHz di larghezza di banda e vengono utilizzati diversi fattori di spreading ortogonale a seconda dei requisiti di velocità dei dati e delle condizioni del canale. LoRa utilizza fattori di diffusione da SF7 a SF12.

Ecco uno spettrogramma per diversi fattori di spreading:

Esempio di trasmissione in CSS

Il livello fisico LoRa consiste in 8 simboli di preambolo, 2 simboli di sincronizzazione, carico fisico e CRC opzionale.

  • SF8 richiede esattamente il doppio del tempo di SF7 e SF9 richiede esattamente il doppio del tempo di SF8.
  • Rapporto tra velocità di simbolo(r), larghezza di banda(BW) e fattore di propagazione(SF): RS = BW / (2^SF).
  • Maggiore è il fattore di propagazione -> Maggiore è il tempo libero.
  • Riduzione del fattore di propagazione -> maggiore velocità di trasmissione dei dati.

Ecco lo spettrogramma del livello fisico LoRa:

I primi 8 simboli up-chirp sono simboli di preambolo utilizzati per rilevare i cinguettii LoRa, i successivi 2 simboli down-chirp sono simboli di sincronizzazione utilizzati per la sincronizzazione temporale, seguiti dai 5 simboli modulati (payload). Il chirp di frequenza rappresenta il simbolo modulato.

Le principali caratteristiche e proprietà del Chirp Spread Spectrum sono:

  1. Modulazione di frequenza: nel metodo CSS, l’informazione è rappresentata da una variazione continua della frequenza portante. Ciò è in contrasto con la convenzionale modulazione di ampiezza (AM) o di frequenza (FM), in cui l’informazione è rappresentata da variazioni di ampiezza o frequenza del segnale portante.
  2. Variazione lineare della frequenza: il processo di chirp è lineare, il che significa che la frequenza del segnale aumenta o diminuisce in modo costante nel tempo. Questa variazione lineare della frequenza consente di distinguere i segnali anche quando vengono ricevuti su lunghe distanze o in ambienti con molte riflessioni e interferenze.
  3. Ampiezza di banda ridotta: i segnali Chirp spread spectrum hanno solitamente un’ampiezza di banda ridotta rispetto ad altri tipi di modulazione. Ciò significa che richiedono poco spettro e che più segnali chirp possono essere trasmessi contemporaneamente in una gamma di frequenze senza interferire l’uno con l’altro.
  4. Robustezza contro le interferenze: Il CSS è robusto alle interferenze e alla propagazione multipla, il che significa che i segnali possono essere ricevuti in modo affidabile anche in ambienti con molti ostacoli e interferenze.
  5. Basso consumo energetico: grazie alla sua larghezza di banda ridotta e alla capacità di trasmettere segnali a bassa potenza, il CSS è efficiente dal punto di vista energetico, il che lo rende ideale per i dispositivi alimentati a batteria e le applicazioni IoT.

Nel complesso, la modulazione Chirp Spread Spectrum consente di trasmettere informazioni su lunghe distanze con un basso consumo energetico e un’elevata affidabilità. Ciò la rende particolarmente adatta alle applicazioni che richiedono una comunicazione wireless a lungo raggio, come spesso accade nelle applicazioni IoT.

Applicazioni pratiche di LoRa in ambito radioamatoriale

LoRa-APRS

In alcune zone della Svizzera è stato creato un nuovo sistema APRS. Utilizza moduli LoRa a 433 MHz e opera con una potenza molto inferiore a quella dell’APRS tradizionale su 2 metri (https://github.com/lora-aprs/LoRa_APRS_Tracker).

Link: https://www.swiss-artg.ch/index.php?id=170

APRS-iGates der SWISS-ARTG: https://www.swiss-artg.ch/index.php?id=61&tx_news_pi1%5Bnews%5D=295&tx_news_pi1%5Bcontroller%5D=News&tx_news_pi1%5Baction%5D=detail&cHash=a93825eacdb54d2bb184166ba60c2467

Kit LoRa: https://www.swiss-artg.ch/index.php?id=174#c524

Ascolto LoRa

LoRa è utilizzato da satelliti molto piccoli per trasmettere dati telemetrici. Questi satelliti possono essere intercettati (https://tinygs.com/).

LoRaWAN

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) è un protocollo di comunicazione wireless specificamente progettato per l’Internet delle cose (IoT) e basato sulla tecnologia LoRa (Long Range). LoRaWAN estende la tecnologia LoRa fornendo un protocollo di rete che consente la comunicazione tra i dispositivi finali abilitati LoRa e un server di rete centrale.

Ecco i componenti principali di LoRaWAN:

  1. Dispositivi finali (nodi LoRa): Sono i dispositivi IoT che raccolgono o controllano i dati e comunicano con la rete LoRaWAN. Questi dispositivi sono solitamente dotati di moduli radio LoRa e possono contenere vari sensori, attuatori o altri componenti IoT.
  2. Gateway: i gateway LoRaWAN sono dispositivi che ricevono i dati dai dispositivi finali e li inoltrano al server di rete centrale. Questi gateway sono posizionati strategicamente in un’area per garantire una buona copertura.
  3. Server di rete: Il server di rete centrale è il cuore di una rete LoRaWAN. Riceve i dati dai gateway, li elabora, li inoltra alle applicazioni giuste e garantisce che le comunicazioni siano sicure e affidabili.
  4. Applicazioni: Applicazioni e servizi che accedono e utilizzano i dati raccolti dagli endpoint per soddisfare esigenze specifiche. Possono essere applicazioni per il monitoraggio delle condizioni ambientali, per il tracciamento degli asset, per le smart city e molto altro ancora.

Link: https://www.lora-wan.de/

Kit ecc.: https://de.elv.com/technik-fuer-elektronik-projekte/bausaetze/lorawan/?utm_source=google&utm_medium=cpc&utm_campaign=perfmax_shopping_de&refid=Gads&Gads_PerfMax_Shopping&gad_source=1&gclid=Cj0KCQjwqP2pBhDMARIsAJQ0Czpkdp2Rwm80b1cehZSXyMocex50AnT-WZ7uN8WKL_7fbtUyDFvwXvkaAtSSEALw_wcB

Alleanza LoRa

LoRa Alliance è un’organizzazione indipendente senza scopo di lucro che svolge un ruolo importante nella promozione, nello sviluppo e nella standardizzazione della tecnologia LoRaWAN. I suoi principali obiettivi e compiti comprendono:

  1. Standardizzazione: LoRa Alliance lavora per sviluppare e promuovere standard aperti per LoRaWAN. Ciò contribuisce a garantire l’interoperabilità tra diversi dispositivi e reti LoRaWAN e a promuovere un’ampia accettazione della tecnologia.
  2. Certificazione: LoRa Alliance gestisce un programma di certificazione per garantire che i dispositivi e le reti LoRaWAN siano conformi agli standard stabiliti. Ciò promuove la qualità e l’affidabilità delle implementazioni LoRaWAN.
  3. Promozione della tecnologia: LoRa Alliance lavora per far conoscere LoRaWAN e i suoi casi d’uso. Ciò avviene attraverso iniziative di marketing, eventi e iniziative educative.
  4. Advocacy: LoRa Alliance rappresenta gli interessi dei suoi membri e della comunità LoRaWAN a livello politico e normativo. Ciò include la collaborazione con le autorità di regolamentazione e il sostegno alle politiche che promuovono l’uso di LoRaWAN.
  5. Creazione di un ecosistema: LoRa Alliance promuove la creazione di un ecosistema LoRaWAN completo, riunendo aziende, istituti di ricerca, sviluppatori e utenti. Ciò contribuisce all’innovazione e all’ulteriore sviluppo di LoRaWAN.
  6. Sviluppo delle specifiche: LoRa Alliance lavora allo sviluppo delle specifiche LoRaWAN per garantire che la tecnologia risponda alle esigenze e alle sfide in continua evoluzione dell’IoT.

LoRa Alliance ha un’ampia base di membri che comprende aziende, istituti di ricerca e altre organizzazioni interessate a promuovere e far progredire LoRaWAN. I loro sforzi hanno contribuito a rendere LoRaWAN una tecnologia ampiamente utilizzata e accettata per l’Internet delle cose (IoT) e a promuovere la disponibilità di reti e dispositivi LoRaWAN in tutto il mondo.

The Things Network

È una rete LoRaWAN fondata da appassionati che consiste in molti gateway privati e in una rete aperta. Può essere utilizzata gratuitamente da tutti i sensori.

Helium

È una rete LoRaWAN chiusa utilizzata principalmente per il mining di criptovalute. La partecipazione è a proprio rischio e pericolo.

Esistono anche reti LoRaWAN commerciali. In Svizzera, una è gestita da Swisscom.

Link: https://www.thethingsnetwork.org/docs/lorawan/what-is-lorawan/
Link: https://lora-alliance.org/
Specifiche LoRa (anche LoRaWAN): https://resources.lora-alliance.org/technical-specifications
Quelle: https://chat.openai.com/share/a9cdf312-c8ba-4ef4-8d7e-1c15def48177
Fonte: https://www.sghoslya.com/p/lora-is-chirp-spread-spectrum.html