Recentemente durante una delle nostre riunioni in sezione è uscita questa sigla…. una delle tante che servono a non far capire di che cosa si vuole parlare avranno giustamente pensato alcuni di noi 🙂
Ci ripromettemmo di dare un significato a questa sigla… cercando di vedere se potesse nascondere qualcosa di interessante per noi radioamatori….
Come abbiamo già altre volte avuto modo di osservare la radio è oggi sempre più chiaramente una delle frontiere più avanzate di tutto quanto riguarda la mobilità o più in generale l’interconnessione di persone o cose non necessariamente collegate ad un filo….
Paradossalmente all’interno di questa tematica il filone più promettente, secondo gli analisti, non è tanto l’interconnessione delle persone, bensì l’interconnessione delle “cose”, dove per cose si intende qualsiasi oggetto animato o inanimato, reale o virtuale, che possa avere un interesse ad essere “osservato” e/o “controllato”…. un tema che oggi si va sempre più imponendo con il termine “internet delle cose” ovvero IoT (Internet-of-Things).
Ovviamente se si considera che le “cose” possono avere un valore molto variabile e spesso abbastanza basso è evidente che non è pensabile spendere per interconnettere le cose troppi soldi… ne’ tantomeno è pensabile che possa esplodere un mercato che abbia come soglia di ingresso degli investimenti o dei costi ricorrenti sproporzionati rispetto al valore delle “cose” a cui si rivolge…
Queste banali considerazioni di natura economica hanno spinto allo sviluppo di tecnologie che potessero far fronte a questa nuova tipologia di mercato e che si caratterizzano per costi sia iniziali, che soprattutto ricorrenti estremamente bassi….
Paradossalmente uno dei costi maggiori per una “cosa” che vuole essere interconnessa è… il costo dell’energia ! … e non tanto per il costo in se, quanto per il fatto di dover dipendere da una sorgente di energia con tutte le conseguenze del caso…
Si pensi per es. ad un semplice sensore della qualità dell’aria da mettere sul tetto di una casa: il sensore in se potrebbe costare pochissimo, ma se ha bisogno di essere collegato ad una linea di comunicazione ed ha bisogno di una alimentazione di rete elettrica tutto diventa più complesso e soprattutto costoso…..
Una delle prime cose che si è cercato di eliminare è stata l’esigenza di una “linea” di comunicazione: la radio è ovviamente la soluzione più ovvia… se non fosse che il suo uso pone una serie di problematiche sia tecniche che di costi….
L’uso delle reti cellulari sembrava la panacea per tutti i mali.. se non fosse rapidamente stato evidente che i costi e le esigenze di alimentazione erano uno scoglio enorme alla loro diffusione ….
Si sono quindi andate sviluppando negli ultimi 10-15 anni una serie di tecnologie radio che hanno tentato di “semplificare” e rendere meno avidi di energia le radio da usare per interconnette le cose, cercando anche di evitare che le frequenze da usare fossero di tipo “a pagamento”…
Uno dei tentativi che ad oggi sembra più promettente in questo campo è una tecnologia nota appunto con il nome “LoRaWAN” che nel seguito cercheremo di illustrare….
Per comprendere i motivi per cui tale tecnologia sembra molto promettente bisogna innanzitutto fare una riflessione su che tipo di esigenza possano avere le “cose”….
Diversamente dalle persone che hanno un cervello, una creatività, delle esigenze di alto livello, le cose sono in genere molto meno esigenti… ne deriva che le esigenze di comunicazione sono molto più limitate e spesso quantizzabili in pochissimi bit/sec di banda occupata contrariamente ai diversi megabit/sec di una persona…. si pensi per es. al sensore di cui parlavamo prima: probabilmente per svolgere in maniera completa la sua funzione è sufficiente che invii un messaggio di pochi bytes ogni qualche minuto… come pure per essere controllato nelle sue funzioni probabilmente è sufficiente interagire con lo stesso una volte al giorno o forse a settimana….
Queste semplici considerazioni fanno capire come per le “cose” la banda non rappresenta un problema… mentre rappresenta un problema il consumo di energia: se per inviare un messaggio ogni 10 minuti la “cosa” deve consumare una barca di energia non va bene… meglio sarebbe se consumasse solo per quella frazione di tempo che la radio deve trasmettere !!!!!
…il tutto però non è così semplice: e se per caso mentre la radio dorme si rende necessario contattarla ? come facciamo ?
Come vedete il tema è abbastanza articolato….
La tecnologia LoRaWAN affronta il discorso in maniera abbastanza articolata con l’obiettivo di fornire soluzioni ottimizzate per tutta una serie di esigenze….
Come tutti i sistemi moderni di comunicazione la tecnologia usa delle metodiche digitali di comunicazione ed un approccio “stratificato” che consente di ottimizzare in maniera separata le varie tematiche di comunicazione che si propongono.
La figura seguente rappresenta una schema abbastanza completo della tecnologia LoRaWAN: ve lo propongo giusto per darvi un quadro globale, salvo ad aggiungere che nel seguito ci occuperemo solo di una piccolissima parte del discorso, ovvero del “livello fisico” della comunicazione, che forse è quello che più interessa noi radioamatori….
Se l’argomento incontrerà la vostra attenzione potremo successivamente anche interessarci delle altre parti del sistema…
Come tutti i sistemi moderni di comunicazione il sistema LoRaWAN è diviso in “strati” ognuno dei quali svolge una particolare parte del processo di comunicazione, sfruttando i servizi forniti dagli strati inferiori e fornendo a loro volta dei servizi agli strati superiori…
Nel seguito ci interessiamo del solo livello più basso della comunicazione tra un “sensore” e un altro dispositivo che chiameremo “Gateway di rete”: si tratta del livello “PHY” ovvero fisico: questo livello si occupa di trasferire tra le due entità collegate, dei segnali di tipo digitale che rappresentano il contenuto della comunicazione; in particolare la comunicazione è di tipo “a pacchetto” ovvero si trasferiscono degli insiemi di bit raggruppabili in dei messaggi: è come inviare delle lettere che contengono un messaggio…..
Le caratteristiche del livello fisico sono state pensate per sfruttare il fatto che le cose sono molto parche nelle loro esigenze di comunicazione…
Nello stesso tempo si è cercato di fare in modo tale da poter coprire delle distanze molto grandi con potenze molto ridotte…
Il risultato è stata una metodica di trasmissione molto particolare che utilizza una tecnica di modulazione apparentemente molto strana, ma che in realtà è dotata di una serie di interessantissime proprietà….
La metodica usata è la modulazione “chirp spread spectrum ” (CSS); per capire in cosa consiste dobbiamo accennare a cosa è un “chirp”: immaginate di avere un trasmettitore acceso e provate a modificare con la manopola del VFO la frequenza tra due valori f1 ed f2: per esempio da 432.00 a 432.125 Khz… quello che esce fuori è un “chirp” ovvero una sweeppata di 125 khz ….
immaginate ora di automatizzare l’operazione e fate in modo da ripetere in continuazione l’operazione… ne esce fuori un segnale che occupa una banda di esattamente 125 Khz …. e che sweeppa continuamente tra due frequenze o in salita o eventualmente in discesa.
Ovviamente mi direte… ma a cosa serve tutto questo ?
Pensate allora ad un ricevitore che si sintonizzi sulla banda del trasmettitore e che osservi i segnali ricevuti: ovviamente l’operatore per capire che ci sta il nostro segnale dovrà cercare di seguire “lo sweep” del trasmettitore…. orbene la cosa più semplice per lui sarà automatizzare la sintonia e fare in modo da “inseguire” automaticamente il segnale del trasmettitore….
Orbene una volta che il nostro ricevitore si è “agganciato” al trasmettitore l’operatore avrà il piacere di “vedere” il segnale del trasmettitore “chiaro e forte” 🙂
Immaginate ora che il trasmettitore voglia “trasmettere” un messaggio…. potrebbe per es. fare in modo da “spostare” la fase del suo “chirp”… il ricevitore si accorgerebbe subito dello spostamento e si riaggancerebbe alla nuova fase del “chirp”: in pratica abbiamo trasmesso un “bit” di informazione….
Quindi se in ricezione facciamo una operazione di “de-chirping” possiamo recuperare i bit trasmessi… 🙂
La figura seguente rappresenta tramite un “waterfall” (diagramma frequenza/tempo) un esempio di messaggio trasmesso in modalità LoRa:
Come potete osservare ogni fase di trasmissione inizia con una serie di “up-chirps” che servono a delimitare l’inizio di una “trama”; seguono poi due “down-chirps” che marcano l’inizio della fase “dati”; a tale fase segue la trasmissione di una serie di “up-chirps” la cui “fase” segue i bit da trasmettere.
A valle dell’operazione di “de-chirping”, ovvero di recupero dei “salti di fase” dei chirps si ottiene qualcosa del tipo in figura seguente:
I vari segmenti verticali indicano tramite la loro posizione il “valore” dei “simboli” trasmessi: il sistema può essere configurato per usare un insieme di “simboli” variabile ( da 6 a 12) in modo da poter aumentare o diminuire la velocità di trasmissione equivalente a seconda delle esigenze di comunicazione del sensore.
Ovviamente mi direte: ma che cacchio ci stai raccontando… basterebbe trasmettere due frequenze diverse per lo zero e l’uno e tutto sarebbe funzionante egualmente e molto più semplicemente 🙂
Purtroppo il progresso tecnologico passa proprio per fare in maniera complicata le cose che già si sanno fare in maniera semplice 🙁
Ovviamente il discorso non è così banale: infatti la società che ha inventato il sistema LoRa ha dimostrato che facendo lo scherzetto di cui sopra si poteva riuscire ad aumentare significativamente la distanza della comunicazione e diminuire sensibilmente i consumi energetici e la complessità circuitale: ne è derivata una metodica, coperta da brevetto e “close source” ovvero non completamente spiegata al pubblico, che si sta imponendo su numerose altre metodologie per le sue superiori doti in termini appunto di performances, flessibilità ed economicità.
I motivi tecnici alla base delle caratteristiche del sistema derivano proprio dal fatto che la metodica del “chirping” produce uno “sparpaggliamento” dell’energia del segnale su una banda molto ampia (dal che il termine “spread spectrum”) consentendo di “annichilire” le interferenze e il rumore presente consentendo quindi di aumentare il rapporto segnale/rumore ( “guadagno di processo”) anche se a spese di una maggiore complessità.
La figura seguente sintetizza un poco il tutto:
In pratica il “guadagno di processo” insito nella tecnologia aumenta il livello di “sensibilità” del ricevitore fino a valori di -136dbm.
Confrontando il sistema con il classico FSK si ha un aumento delle distanze copribili nel rapporto di 1-3/1-4 …
Il sistema utilizza le frequenze allocate agli usi liberi e quindi non richiedono alcuna licenza: in Europa la banda allocata è 868 Mhz con potenze limitate a poche decine di mW.
Con questi miseri valori di potenze il sistema consente di coprire aree che arrivano a oltre 15 Km …
Grazie alla semplicità circuitale che caratterizza la metodica, si riescono ad avere autonomie per i dispositivi che possono agevolmente arrivare agli anni ( con una semplice alimentazione a pila) !!!!
Analogamente sul piano dei costi, grazie alle tecniche di integrazione e di processo digitale dei segnali, tutto si riduce a dei chip il cui costo tende sempre a diminuire all’aumentare dei volumi; attualmente è possibile acquistare una radio completa con meno di 10 € in pezzi singoli…
L’ultimo grido sul tema è la comparsa sul mercato di chips che integrano in un unico modulo sia una radio completa che un controllore (microprocessore) a cui è possibile attaccare direttamente dei sensori.
Anche in questo caso i costi sono dell’ordine dei 10-15 € per pezzi singoli.
In un prossimo articolo proveremo ad approfondire un pochino meglio il tema, trattando più in dettaglio le caratteristiche funzionali del sistema, per quanto riguarda in particolare le modalità operative della interconnessione tra sensore e gateway; vedremo in particolare che esistono tre diverse tipologie di interconnessione caratterizzate da diverse proprietà.