Che differenza c'è tra LoRa e LoRaWAN?
LoRa è la modulazione radio a lungo raggio di Semtech, LoRaWAN il protocollo di rete della LoRa Alliance sopra di essa. Cosa fa ciascuno e quando servono.
Foto: C Cai / Unsplash
Dopo aver letto questo articolo saprai:
- Distinguere ciò che fa il livello fisico LoRa da ciò che aggiunge il protocollo LoRaWAN
- Spiegare come le regole regionali e i parametri regionali LoRaWAN condizionano entrambi i livelli
- Decidere quando un progetto richiede LoRa nudo, una mesh LoRa come Meshtastic o LoRaWAN
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LoRa è una modulazione radio: il livello fisico che trasforma i bit in un segnale in aria. Semtech, che possiede la tecnologia, la descrive come una modulazione a spettro espanso derivata dal chirp spread spectrum. LoRaWAN è un protocollo di rete che la LoRa Alliance specifica a livello MAC: stabilisce come i dispositivi entrano nella rete, come i frame vengono indirizzati e protetti e come gateway e server cooperano. Quasi tutti i dispositivi LoRaWAN trasmettono con LoRa, ma molti dispositivi LoRa non parlano mai LoRaWAN.
La risposta breve. Usa LoRaWAN quando molti sensori inviano dati a un’applicazione, quando vuoi che dispositivi, gateway e network server di fornitori diversi funzionino insieme e quando preferisci adottare un modello di sicurezza e di gestione dei dispositivi già definito invece di scriverne uno. Usa LoRa da solo quando poche radio parlano direttamente tra loro, quando i nodi devono inoltrare i messaggi l’uno per l’altro come in Meshtastic, o quando controlli entrambe le estremità e accetti di scrivere da te protocollo, logica di conformità e sicurezza.
La confusione è comprensibile, perché i due nomi vengono spesso usati come se fossero la stessa cosa. Questa guida separa i livelli, mostra dove si applicano a ciascuno le regole radio regionali e descrive i progetti che usano LoRa senza LoRaWAN.
| LoRa | LoRaWAN | |
|---|---|---|
| Che cos’è | Modulazione radio (livello fisico) | Protocollo di rete e architettura di sistema (dal livello MAC in su) |
| Chi lo definisce | Semtech, proprietario | LoRa Alliance, specifiche pubblicate |
| Cosa copre | Chirp, spreading factor, banda, coding rate | Ingresso in rete, indirizzi, cifratura, controllo del data rate, classi di dispositivo |
| Topologia | Nessuna di per sé | Stella di stelle: dispositivi, gateway, network server |
| Sicurezza | Nessuna | Chiavi di sessione AES-128 e contatori di frame |
| Uso tipico | Collegamenti punto-punto, progetti mesh LoRa, stack proprietari | Misura dei consumi, agricoltura, edifici, tracciamento degli asset |
Cosa fa il livello fisico LoRa?
LoRa codifica i dati come chirp, segnali la cui frequenza scorre attraverso il canale. Un ricevitore che conosce l’andamento del chirp riesce a estrarlo dal rumore, ed è questo che dà a LoRa la sua lunga portata con una potenza di trasmissione molto bassa. Tre parametri definiscono un collegamento LoRa: la larghezza di banda del canale, il coding rate (quanta correzione d’errore viene aggiunta) e lo spreading factor, che stabilisce quanto dura ogni simbolo. Uno spreading factor più alto arriva più lontano e resiste meglio alle interferenze, al prezzo di più tempo in aria, throughput più basso e più energia per messaggio.
Semtech indica collegamenti fino a 30 miglia in aree rurali. I collegamenti reali dipendono dall’altezza dell’antenna, dal terreno, dagli ostacoli e dallo spreading factor, quindi quel valore è un caso migliore, non un numero su cui progettare.
Ciò che LoRa non fa è altrettanto importante. Un frame LoRa contiene un preambolo, un’intestazione opzionale, il payload e un checksum. Non ci sono indirizzo del dispositivo, conferma, ritrasmissione, cifratura né regole su chi può trasmettere e quando. Due radio LoRa impostate sulla stessa frequenza, banda e spreading factor si sentono a vicenda, ed è tutto ciò che il livello fisico promette.
Cosa aggiunge LoRaWAN?
LoRaWAN colma questa lacuna con un progetto di rete completo. La LoRa Alliance lo descrive come una topologia a stella di stelle in cui i gateway inoltrano i messaggi tra i dispositivi finali e un network server centrale su normali connessioni IP. La specifica LoRaWAN L2 1.0.4 definisce il resto:
- Attivazione. Un dispositivo entra nella rete over-the-air con una chiave radice e un handshake di join, oppure viene personalizzato con chiavi di sessione fisse.
- Sicurezza. Chiavi di sessione AES-128 separate autenticano i frame verso il network server e cifrano il payload end-to-end verso l’application server, e i contatori di frame impediscono gli attacchi replay.
- Gestione della radio. L’adaptive data rate permette al network server di spostare un dispositivo fisso su uno spreading factor più veloce quando il segnale lo consente, risparmiando tempo in aria e batteria.
- Comportamento in downlink. Le classi di dispositivo A, B e C stabiliscono quando un dispositivo resta in ascolto, da due brevi finestre dopo ogni uplink fino a un ricevitore aperto quasi di continuo.
LoRaWAN, inoltre, non è legato solo a LoRa. I parametri regionali LoRaWAN definiscono i livelli fisici FSK e LR-FHSS accanto a LoRa, quindi la stessa rete può servire dispositivi che usano una modulazione diversa.
Il risultato pratico è l’interoperabilità. Un sensore certificato di un produttore può entrare in una rete costruita con i gateway di un altro produttore e il network server di una terza azienda, e la LoRa Alliance ricorda che LoRaWAN è uno standard internazionale approvato dall’ITU. La guida a LoRaWAN tratta in dettaglio classi di dispositivo, chiavi e ruoli della rete.
Come si applicano le regole regionali a ciascun livello?
La normativa radio non guarda quale protocollo usi. In Europa la Raccomandazione ERC 70-03 ammette i dispositivi a corto raggio non specifici nella banda da 868,0 a 868,6 MHz con 25 mW e.r.p. e un duty cycle massimo dell’1 per cento (oppure listen-before-talk con adaptive frequency agility), e nella banda da 869,4 a 869,65 MHz con 500 mW e.r.p. e al massimo il 10 per cento. Un collegamento LoRa nudo, un nodo mesh e un sensore LoRaWAN devono rispettare gli stessi limiti. Il duty cycle è ciò che mantiene utilizzabile per tutti una banda ISM condivisa.
LoRaWAN trasforma queste regole in un piano dei canali già pronto. I parametri regionali fissano per ogni regione canali predefiniti, data rate, dimensioni del payload e potenza di trasmissione, e per l’Europa precisano che LoRaWAN usa trasmissioni limitate dal duty cycle per rispettare le regole ETSI. Per gli Stati Uniti lo stesso documento ricorda che le regole FCC impongono un dwell time massimo di 400 ms sugli uplink per i sistemi a salto di frequenza con banda inferiore a 500 kHz. Uno stack LoRaWAN applica tutto questo per te.
Con LoRa nudo, la conformità è compito del tuo firmware. Scegli le frequenze, tieni il conto del tempo in aria, applichi il duty cycle e rispetti i limiti di potenza. I progetti maturi lo fanno in modo esplicito: Meshtastic limita l’impostazione EU_868 a un duty cycle del 10 per cento nella banda da 869,4 a 869,65 MHz e sospende la trasmissione quando un nodo raggiunge il limite.
Quando si usa LoRa senza LoRaWAN?
Gli schemi più comuni sono tre.
Collegamenti punto-punto. Un sensore di livello in un serbatoio a due chilometri dalla cascina, un apricancello o l’interruttore remoto di una pompa hanno bisogno solo di un trasmettitore e di un ricevitore. Due moduli LoRa e qualche centinaio di righe di firmware evitano del tutto gateway e network server. A quel punto indirizzi, conferme, ritrasmissioni, cifratura e conteggio del duty cycle sono a carico tuo.
Messaggistica in mesh. Meshtastic è un progetto open source che usa radio LoRa economiche per costruire una mesh indipendente dalle reti esistenti in cui i nodi ritrasmettono ciò che ricevono, così messaggi di testo e posizioni attraversano più salti senza infrastruttura. MeshCore, una libreria C++ per l’instradamento multi-hop con licenza MIT, segue un’idea simile con ripetitori dedicati. Nessuno dei due ha bisogno di un gateway o di un server, che sono invece indispensabili per LoRaWAN.
Reti proprietarie. Un’azienda può costruire il proprio stack sul livello fisico LoRa. La stessa Semtech cita Amazon Sidewalk come rete che usa LoRa con un protocollo proprietario sopra.
Il compromesso è lo stesso in tutti e tre i casi: guadagni libertà e perdi interoperabilità. Un nodo Meshtastic non può entrare in una rete LoRaWAN, un sensore LoRaWAN non può inoltrare traffico Meshtastic e un protocollo punto-punto su misura funziona solo con radio che eseguono il tuo firmware.
Quando LoRaWAN è la scelta migliore?
LoRaWAN conviene quando hai più di una manciata di dispositivi o quando i dati devono arrivare a un’applicazione in modo affidabile. Sensori pronti per temperatura, contatori dell’acqua, parcheggi, porte e umidità del suolo lo parlano già, quindi non scrivi firmware radio. Sicurezza, gestione delle chiavi, adaptive data rate e roaming tra reti sono specificati, testati e certificati invece che improvvisati. E puoi scegliere come ottenere la copertura: installare i tuoi gateway e gestire un network server, acquistare capacità da un operatore oppure usare una rete comunitaria.
Il prezzo sono l’infrastruttura e i vincoli. Ti serve almeno un gateway con un backhaul IP e un network server da qualche parte, e il progetto di LoRaWAN favorisce uplink piccoli e poco frequenti con downlink scarsi. Per i dispositivi che hanno bisogno di comandi frequenti o di payload più grandi, la guida a NB-IoT e LTE-M tratta le alternative cellulari.
Per continuare
- La guida a LoRaWAN descrive gateway, network server, classi di dispositivo e sicurezza.
- Panoramica della connettività IoT colloca LoRa e LoRaWAN tra le altre opzioni radio.
- La guida a NB-IoT e LTE-M tratta le alternative su spettro licenziato per gli stessi dispositivi.
- Meshtastic nel glossario riassume il progetto mesh LoRa più noto.
Argomenti: LoRa, LoRaWAN, LPWAN, protocolli, confronto