In un precedente articolo ( http://www.aripenisolasorrentina.org/lorawan-chi-e-costei/ )  abbiamo introdotto questa nuova modalità di comunicazione e ne abbiamo delineato le caratteristiche principali.

La fig. seguente riporta un esempio di trasmissione LoRa come si può vedere su un qualsiasi ricevitore SDR sintonizzato su un tale segnale.

La figura seguente invece riporta alcuni esempi di spettro occupato da trasmissioni LoRa a diverse larghezze di banda.

L’area applicativa per cui questa modalità trasmissiva è stata pensata è quella dei sistemi IoT ( Internet-of-things),  grazie alle eccezionali caratteristiche di robustezza e flessibilità che si associano a consumi energetici estremamente bassi, che tornano molto indicati in tutti quei settori applicativi dove l’esigenza di comunicazione è molto ridotta, e si ha una  esigenza di consumi bassissimi per poter realizzare dispositivi (sensori) in grado di operare anche per anni con una piccola batteria.

Il sistema di trasmissione è proprietario ( https://www.semtech.com/technology/lora ) e si traduce in dei dispositivi (chips) ad elevatissimo grado di integrazione per i quali si prevedono volumi di produzione enormi e quindi costi unitari estremamente bassi.

La fig. sotto, tratta dal sito del produttore Semtech di questi chips, riporta in estrema sintesi le principali caratteristiche della tecnologia.

In particolare dal diagramma a strati si può capire come la tecnologia sia stata concepita per essere sfruttata in molti modi diversi e in diversi campi applicativi: infatti si nota che lo strato in marrone “loRa modulation” incapsula tutta la parte radio nelle sue diverse implementazioni regionali ovvero i diversi range di frequenza che consentono di sfruttare in ogni regione (IARU) le bande assegnate al servizio ISM che non prevede il possesso di nessna particolare autorizzazione per l’utilizzo).

I chips prodotti dalla Semtech implementano unicamente la parte marrone e quello che ci sta sotto; i chips sono però previsti per poter supportare tutta una serie di applicazioni, introducendo dei livelli di funzionalità al disopra del livello fisico LoRa, eventualmente implementati indifferentemente in HW e/o SW a seconda delle esigenze.

Nella figura viene enfasizzato il protocollo LoRaWAN: il motivo è  molto semplice;  questo ulteriore livello funzionale consente di utilizzare il sistema di trasmissione LoRa, che di per se fa solo trasferimento di bit tra due dispositivi,  per consentire ai due dispositivi di diventare comunque più complessi ospitando a bordo una molteplicità di applicazioni diverse che sfruttano simultaneamente il canale di trasmissione LoRa anche per finalità tra loro molto diverse.

Per questo motivo lo straterello celeste viene chiamato “LoRaWAN MAC” : il termine MAC significa “Media Access Control” ovvero rappresenta il meccanismo di accesso condiviso all’unico mezzo fisico LoRa da parte di una molteplicità di applicazioni utilizzatrici.

Per quanto il protocollo  Lora sia coperto da brevetti, esso è stato ampiamente studiato ed esistono addirittura delle implementazioni di tipo reverse-engeneering…  di fatto è diventato uno standard di mercato e chiunque, acquistando i chips appropriati, può utilizzare il sistema di trasmissione costruendoci sopra proprie implementazioni di protocolli di livello più elevato.

Le bande di frequenza per cui il sistema è stato pensato sono quelle cosiddette ISM sub-gigahertz che sono liberamente utilizzabili da chiunque a patto di rientrare in dei precisi standard di utilizzo in termini di potenza irradiata e modalità di utilizzo.

La figura seguente riporta alcuni dati caratteristici dei due chips più diffusi; si può notare come si lavori in bande sotto il gigahertz e con una sensibilità che arriva addirittura a -148dbm;

In Europa le frequenze sono quelle della banda 868 e 433 Mhz, mentre in altre aree del mondo si possono usare frequenze di 915 Mhz o 430 Mhz:  le frequenze intorno ai 400 Mhz  rappresentano una fortunata coincidenza in quanto sono frequenze molto prossime a quelle concesse al servizio radioamatore:  siccome per loro costruzione i chips che implementano il livello fisico LoRa sono basati interamente su tecniche SDR ( Software Defined Radio),  è facile poter spostare la frequenza di lavoro e portarla sulle nostre frequenze dei 70 cm.

La fig. sotto rappresenta lo schema a blocchi del Transceiver LoRa implementato nel chip SX1276; il datasheet completo è recuperabile al seguente link https://www.mouser.com/ds/2/761/sx1276-1278113.pdf   e descrive in maniera completa e dettagliata il funzionamento interno della radio.

 

Ovviamente quello che si ottiene è la possibilità di utilzzare la tecnologia di trasmissione Lora, ma con i relativi limiti, in particolare in termini di potenza emettibile e larghezza di banda utilizzabile.

Il primo limite, la potenza massima, è tipicamente  100mW (ovvero 20 dbm) : sembra ovviamente un valore estremamente basso, ma se si pensa che , per come il sistema LoRa è concepito, si riesce ad avere un “guadagno di processo” di quasi 20 db, con una sensibiità che sfiora i -148dbm e quindi con un “link budget” di quasi 168 db, è come dire che si trasmette in FM con una potenza di qualche decina di watt o anche più… il che non è proprio disprezzabile….

Il secondo limite, la banda occupata, è un discorso molto più articolato che rimandiamo ad un approfondimento successivo: qui ci limitiamo a dire che per come è concepito il protocollo Lora sono possibili bande da pochi Khz fino a 500 Khz con una densità spettrale , ovvero un livello di potenza trasmessa per unità di banda, molto molto basso se si considerano le potenze massime permesse. Questa considerazione risulta molto importane in quanto i regolamenti dei radioamatori, almeno in Italia ed Europa, non pongono dei limiti sui tipi di emissioni, ma solo ed esclusivamente sulle densità di potenza trasmesse (fermo restando i limiti di potenza totale emessa all’ingresso della linea di trasmissione).

Sulla base di queste considerazioni è opinione apparentemente abbastanza consolidata che il protocollo Lora sia utilizzabile dai radioamatori sulle proprie bande ( in particolare i 70 cm); il fatto che il protocollo di trasmissione a livello fisico sia coperto da discorsi di Proprietà Intellettuale, non rappresenta apparentemente un ostacolo essendo i chips che implementano il protocollo liberamente disponibili sul mercato senza nessun particolare meccanismo di limitazione all’utilizzo.

Le considerazioni di cui sopra non sono ovviamente solo mie personali considerazioni, ma sono considerazioni ampiamente discusse in ambito OM soprattutto in due aree di utilizzo che vado a descrivere.

La prima area di utilizzo è stata quella dei palloni aerostatici: in questa area inatti trovano particolare interesse proprio il fatto dei consumi bassissimi e la possibilità di coprire anche se con potenze molto limitate distanze anche notevoli.

Per chi volesse approfondire questa tematica riporto un link a riguardo: http://www.loratracker.uk/wp-content/uploads/2016/06/Long-Distance-Tracking-and-Monitoring-with-LoRa-Introduction-April-2016.pdf

Una seconda area che è stata recentemente studiata in particolare in Austria e Germania è quello dell’accesso APRS, ovvero l’utilizzo del protocollo Lora, per sostituire il meccanismo di trasmssione usato dal sistema APRS che è basato su una metodica di trasmissione di tipo AFSK su  FM.

Esiste una presentazione molto ben fatta a proposito di questa seconda area applicativa  ( http://www.iot4pi.com/wp-content/uploads/2018/02/LoRa_IoT_Austria.pdf )  in cui si confrontano tra l’altro l’utilizzo del protocollo Lora nella modalità “radioamatoriale” rispetto alla modalità IoT (Internet-of-things).

La fig. seguente rappresenta uno schema di massima di questa applicazione.

Per entrambe le aree applicative esistono esempi di impiego dei componenti base della tecnologia Lora, sia per realizzare la parte “sensore” ( ovvero la parte che cattura i dati da collezionare) che la parte “host” ovvero quella a cui i sensori tentano di collegarsi per consegnare i dati raccolti.

Di seguito provo a riportare degli esempi significativi dei due ambiti.

La fig. seguente riporta un esempio di sensore basato sull’ impiego del protocollo lora per acquisire na serie di dati quali ad es. temperatura, pressione, altezza, posizione, etc, .

Si può notare che la radio si riduce ad un singolo circuito integrato che realizza tutta la funzione di ricezione e trasmissione, a cui è associato un piccolo controllore, per es. basato su arduino, ed una serie di sensori o un GPS per la geolocalizzazione.

 

La fig. seguente invece rappresenta un esempio di sistema di accesso i-gate ( nel gergo APRS) che riceve i segnali da dispositivi remoti tramite il protocollo Lora e adatta i relativi dati per essere per es. immessi nella rete APRS-IS ( internet ); anche in questo caso troviamo il solito chip che realizza la radio Lora, associato per es. ad una piccola scheda processore basata su ARM ( es. un raspberry).

 

Come si può notare l’HW è abbastanza abbordabile con spese molto contenute e i tipi di processori utilizzati sono ampiamente noti agli hobbisty per cui non esistono barriere conoscitive insuperabili.

Ovviamente per lavorare con questo tipo di tecnologie è richiesta una certa dose di volontà di sperimentazone in campi abbastanza diversifcati che vanno dall’HW ( analogici+digitale) , al SW e in particolare alla programmazione in linguaggio C ( semplificato) o in ambiente linux, alle antenne in quanto come tutti i sistemi radio l’antenna è la principale area di ottimizzazione e di sperimentazione.

Riuscire a far arrivare dei dati catturati da un sensore ad un portale remoto è quindi già un primo importante e sfidante obiettivo: ma questo è solo l’inizio di un discorso più ampio che rappresenta a parere dello scrivente la parte più bella e interessante della sperimentazione per noi radioamatori..

Infatti il protocollo LoRa per come è congegnato offre numerosi punti di “tuning” e di “personalizzazione” che consentono di sfruttare tutta la potenzialità del protocollo di trasmissione per fare molto altro…  ma qui mi fermo altrimenti andiamo in quello che ad oggi potremmo definire solo fantasia 🙂