Non è la prima volta che ci capita di sentire questa sigla… già in varie occasioni mi è capitato di intrattenervi su questa nuova tecnica di trasmissione che da qualche tempo si è affacciata sulla scena e che sta destando sempre maggiore attenzione ed interesse per una molteplicità di situazioni applicative cui si presta….

Innanzitutto vorrei richiamare alcuni articoli precedenti in cui abbiamo trattato di questa tecnologia:

http://www.aripenisolasorrentina.org/lorawan-chi-e-costei/ 

http://www.sarimesh.net/2018/07/24/lorawan-e-radioamatori/ 

https://www.sarimesh.net/2018/07/16/una-nuova-idea-di-sperimentazione-lorawan-sarimesh/ 

Nel primo articolo trattammo delle caratteristiche generali della tecnica LoRa evidenziando le principali peculiarità e i motivi per cui ci sembrava una tecnica molto interessante anche per un radiomatore.

Nel secondo articolo sviluppammo in dettaglio questo tema vedendo cosa si stava facendo in giro per il mondo da parte dei radioamatori per sfruttare questa tecnica.

Nel terzo articolo abbiamo cercato di tracciare una idea di una possibile sperimentazione applicata alla nostra rete SARIMESH.

In questo articolo vorremmo cercare di fare un ulteriore passo avanti alla luce di quello che è lo stato attuale dell’utilizzo di LoRa sempre con “una ottica da radiomatori”…

L’area principale per cui LoRa è stata pensata, come già abbondantemente spiegato, non è come tecnica per uso “intrattenimento o larga banda”  ma come una metodica di interazione di tipo “macchina-macchina  M2M”, ed in particolare per consentire di collegare dispositivi in grado o che necessitano di comunicare informazioni molto concise tra applicazioni distribuite nello spazio…

E’ quello che oggi viene identificato con il neologismo IoT,  oramai noto a chiunque segua le tematiche di comunicazione: “Internet-of-Things”.

Vale la pena osservare che IoT non significa necessariamente LoRa, ma è ormai abbastanza chiaro che la tecnica LoRa rappresenta uno dei pilastri dell’IoT…

Se quindi, come radioamatori, volessimo fare della sperimentazione di utilizzo della tecnica LoRa ci troveremmo difronte varie opzioni:

a) cercare di “inventare” dei campi di utilizzo di LoRa vicini alle nostre esigenze dirette:  è quello che i due articoli sopra indicati hanno delineato..

b) cercare di sfruttare usi già esistenti di LoRa per approfondirne le caratteristiche ed i possibili utilizzi da parte dei radiomatori…

Lo scopo di questo articolo è proprio quello di approfondire la seconda modalità ….

Il motivo di base per questo approfondimento è abbastanza semplice: volendo fare della sperimentazione con il metodo a) porta necessariamente a coinvolgere persone (radioamatori)  in una nicchia di interesse molto particolare: purtroppo è ben chiaro che questa strada non porta a molti risultati in quanto risulta molto difficile trovare radioamatori motivati a fare cose di nicchia…. molto più facile trovarne su tematiche quali FT8 o modi digitali … o tematiche innovative….

Il secondo metodo b) invece inverte in un certo senso il paradigma: della serie  “se Maometto non va alla montagna, la montagna va a Maometto”….

Ovvero per fare della sperimentazione che riguardi LoRa, che rappresenta i “livelli bassi ” del protocollo LoRaWAN usato da IoT, possiamo provare a sfruttare l’interesse che ormai pervade tutta la comunità di internet grazie allo IoT, coinvolgendo quindi nel tema non solo uno sparuto gruppo di persone quali siamo noi radioamatori, ma una enormità di persone (non necessariamente radioamatori) che si interesano di IoT….   ovviamente in queste attività di sperimentazione un radioamatore potrà trovare sicuramente modo di individuare quelle tematiche e quegli stimoli “riciclabili” come radioamatore…

Un esempio concreto a sostegno di questa strategia è il seguente:  negli articoli citati sopra si parlava di usare il protocollo LoRa come “sistema radio di trasporto alternativo” per l’APRS….  orbene trovare persone disponibili ad investire tempo e soldi per una simile sperimentazione è arduo in quanto è un argomento troppo di “nicchia”…

Molto più agevole invertire il discorso: sfruttando la metodica LoRaWAN ( che usa LoRa come trasporto radio)  è già oggi possibile accedere ad una comunità di utilizzatori ampiamente diffusa e soprattutto ad una significativa molteplicità di dispositivi terminali (nodi) in grado di fornire dati di prova…

Le figure seguenti fornisccoo una idea di cosa intendo evidenziare:  la prima figura rappresenta un esempio di “area di copertura” APRS determinata con uno dei tools predisposti ad hoc nell’ambito della sperimentazione APRS che abbiamo condotto nello scorso anno.. la seconda figura rappresenta un esempio di cosa già oggi si riesce a fare sfruttando l’approccio di cui stiamo discutendo e sfruttando il discorso LoRaWAN…

 

Come si può notare sfruttando le funzionalità del tool TTNMAPPER già disponibile nell’ambito delle applicazioni IoT si riesce a creare delle mappe di copertura radio sostanzialmente identiche al nostro tool APRS.

Ovviamente le frequenze utilizzate sono diverse: mentre per un uso amatoriale si dovrebbero usare le frequenze della banda 433 Mhz, qui si vanno ad usare le frequenze della banda ISM degli 868 Mhz.

In realtà le due bande hanno caratteristiche abbastanza simili, per cui è possibile ritenere che una sperimentazione in una banda possa essere poi agevolmente ricondotta anche all’altra.

Il grosso vantaggio dell’uso della banda ISM dei 868Mhz è che è una banda di uso libero e quindi il suo utilizzo è possibile a chiunque, senza necessità di avere una licenza radio; questo amplia enormemente la platea di possibili soggetti interessati alla sperimentazione.

Ovviamente l’utilizzo di questa banda comporta la necessità di sottostare ai relativi vincoli normativi che non consentono per es. di modificare le caratteristiche fisiche del livello radio e sottostare ai vincoli di potenza irradiata e di ciclo di utilizzo della banda ISM.

Questi vincoli in realtà sono abbastanza laschi in quanto date le caratteristiche della tecnologia LoRa il livello radio è praticamente “chiuso” in dei chip VLSI non modificabili, mentre la potenza limitata viene ampiamente compensata dal guadagno di processo del protocollo LoRa.

Ci sono ovviamente in compenso tutti i vantaggi di faciltà di accesso di cui si parlava sopra.

Un cenno importante va fatto sui discorsi di costo e customizzazione.

Esistono oggi ampie possibilità di customizzazione a livello dei protocolli di livello superiore a quello fisico, che si basano sulla disponibilià di HW/SW di tipo aperto e quindi liberamente disponibili senza alcun tipo di costo; esistono ovviamente anche soluzioni commerciali i cui costi possono essere anche significativi, ma per un utilizzo non commerciale della tecnologia IoT il valore aggiunto di tali soluzioni è sostanzialmente irrilevante.

Riguardo ai costi dell’HW radio rispetto a qualche tempo fa si è assistito ad un ulteriore abbassamento dei prezzi per quanto riguarda i chips richiesti ed esistono soluzioni a partire da pochi € per un chip RTX LoRa completo.

Alla luce delle considerazioni fatte l’idea è di lanciare una iniziativa che si rivolge non solo al mondo dei radiomatori, ma più in generale alla ampia comunità di coloro che si interessano di radio e di sistemi IoT.

Gli obiettivi di questa sperimentazione sono di varia natura:

1. Creare un dimostratore in grado di consentire un più agevole approcio alla tematica illustrata in particolare da parte di un radioamatore non necessariamente già avvezzo a tematiche IoT 
2. Creare una rete IoT che si basi sul protocollo LoRaWAN e che si ponga come obiettivo la copertura della nostra zona e delle zone limitrofe e che sia aperta ad interagire e collegarsi ad altre reti similari già presenti o che potranno sorgere in futuro
3. Creare una community nell’ambito del progetto “TheThingsNetwork TTN” che possa fungere da incubatore per applicazioni IoT e che possa raggruppare gli utilizzatori della rete, nell’ottica portata avanti dall’iniziativa TTN come di seguito meglio illustrata.
4. Creare delle applicazioni che sfruttando tale rete possano contribuire ad attività di tipo non-commerciale finalizzate alla valorizzazione e alla protezione del territorio.
5. Una prima applicazione target sarà costituita dalla partecipazione al progetto “TTNMAPPER” finalizzato all’aquisizione di dati atti a caratterizzare l’utilizzabilità della tecnologia LoRa sul nostro territorio, in particolare con riferimento alla sua orografia e alle connotazioni di tipo distribuzione attività sul territorio ( es. turismo, agricoltura, protezione del suolo, etc.).

 

Di seguito forniamo qualche informazione atta ad inquadrare le tematiche accennate.

L’iniziativa “TheThingsNetwork TTN” rappresenta oggi una delle realtà più consolidate nell’ambito dell’IoT “non proprietario”; di seguito qualche puntatore per meglio inquadrare il discorso:

https://www.thethingsnetwork.org/

https://www.thethingsnetwork.org/docs/

Come si può scoprire dai puntatori forniti si tratta di una iniziativa senza fini di lucro che mette a disposizione una serie di elementi di infrastruttura atti ad implementare in maniera agevole una serie di “comunità” destinate a raccogliere al loro interno dei gruppi di soggetti ed entità interessati a sperimentare e realizzare applicazioni IoT.

Sfruttando questa iniziativa è possibile utilizzare tutta una serie di funzionalità di livello “alto” relativamente ai discorsi IoT, con la possibilità di sfruttare elementi funzionali già testati, in modo da aggiungere giusto il mancante per realizzare ulteriori applicazioni customizzate.

La figura seguente fornisce un quadro di riferimento delle applicazioni IoT:

 

Come si può notare esistono vari livelli funzionali che consentono di implementare delle applicazioni:

• un livello di “end nodes” ovvero di nodi che rappresentano i punti da cui emergono o a cui possono essere destinati dei “messaggi” ovvero dei gruppi di dati relativi ad una qualsiasi tipologia di applicazione.
• un livello di “concentatori / gateways” che fanno da interfaccia tra i nodi e il resto della infrastruttura di servizio; tali dispositivi interagiscono con i nodi terminali sfruttando un livello radio di tipo LoRa ed una serie di livelli di rete di livello superiore che nel loro insieme vengono denominati “LoRaWAN”; le gateways interagiscono con il resto della infrastruttura di servizio ioT tramite l’utilizzo del protocollo TCP/IP, su cui vengono trasportati i livelli di protocollo LoRaWAN di livello alto
• abbiamo poi un livello di “server di rete” che svolgono funzionalità di vario tipo relative all’affasciamento delle connessioni provenienti/dirette agli “end nodes” da un lato ed una serie di altre applicazioni SW dall’altro.
• abbiamo infine un livello di “server applicativi”  destinati a realizzare le applicazioni specifiche di un certo gruppo di dispositivi “end nodes”
• va osservato che tutto il traffico originato o terminato sugli end nodes viene protetto con un livello di crittografia AES molto robusto: questo consente di implementare una serie di funzionalità connesse con la separazione reciproca dei traffici afferenti ad un certa entità di rete mantenendo quindi la riservatezza e la protezione dei dati scambiati; questa funzionalità risulta essenziale per consentire di avere un utilizzo condiviso delle frequenze radio mantenendo un elevato grado di sicurezza della comunicazione tra le entità che devono comunicare ed isolando completamente le entità che NON devono comunicare.

 

Va osservato per inciso che l’utilizzo della crittografia in maniera predefinita esclude completamente la possibilità di trasportare del traffico IoT su una rete di tipo radioamatoriale; infatti tutte le reti per uso radioamatoriale non possono assolutamente far uso di crittografia sul traffico trasportato.

Ovviamente nulla esclude che sfruttando frequenze consentite al traffico radioamatorale, e disabilitando l’uso della crittografia non si possano realizzare applicazioni basate sul trasporto radio di tipo LoRa: è questo in effetti quello che le tradizionali sperimentazioni LoRa di cui si accennava sopra, facevano e fanno.

Le figure seguenti riportano una mappa delle gateways registrate sulla rete TTN alla data in Italia e nella nostra regione:

 

Una nota ulteriore va fatta a proposito del concetto di “community”, nell’ambito della architettura di rete TTN: una community serve sostanzialmente a raggruppare degli insiemi di soggetti che intendono condividere delle applicazioni…  quindi è un modo molto “lasco” per creare delle possibili aggregazioni di gruppi di interesse.

La rete TTN consente di definire liberamente delle communities senza alcun costo o speciale obbligazione da parte dei partecipanti, per cui si presta a implementare diverse realtà operative in una ottica di non interferenza.

La figura seguente riporta una mappa delle communities attualmente definite sul territorio italiano.

E’ interessante notare come quasi tutta l’attività IoT relativa a TTN si concentri nelle regioni settentrionali, con una significativa mancanza di iniziative nel centro-sud.

Un ulteriore tema che si propone è quello del modo in cui accedere ai dati acquisiti tramite una rete di sensori: senza volersi addentrare in argomenti un poco esoterici vale la pena di fornire giusto qualche esempio…

Una prima semplice modalità che viene automaticamente resa disponibile dall’utilizzo della piattaforma TTN è quella tabellare: ovvero tramite una semplice interfaccia WEB parte della cosiddetta “console” TTN è possibile vedere in forma tabellare i dati acquisiti da uno o più sensori di proprio interesse.

E’ ovviamente una modalità abbastanza “basilare” ma che consente comunque agevolmente di raccogliere tramite una semplie interfaccia WEB il risultato del proprio lavoro !!!

E’ poi possibile inviare ( automaticamente ) i dati raccolti ad opportune applicazioni che sono in grado per esempio di raccogliere e correlare i dati, aggiungendo semmai ulteriori informazioni e curando la forma grafica di presentazione dei dati.

La figura seguente è un esempio di questa modalità …..

 

Un tema ulteriore che si propone nel momento in cui si decide di lanciare una iniziativa quale quella che si sta tentando di delineare è quello della tipologia di HW/SW che si pensa di utilizzare: grazie alle connotazioni del mercato IoT e LoRaWAN in particolare esiste una significativa base di standardizzazione de facto che consente di far convivere diverse opzioni HW/SW; la scelta quindi può dipendere da fattori diversi dalla stretta funzionalità di base e quindi esiste una ampia possibilità sia di sperimentazione di diverse soluzioni, sia di ottimizzazione in diverse direzioni.

E’ quindi possibile dire che la scelta di una soluzione ottimale può essere essa stessa un obiettivo di questa sperimentazione.

Per quanto riguarda invece le tempistiche e le fasi dell’attività un primo obiettivo sarà proprio la loro definizione; indubbiamente l’attività andrà fasata e dovrà necessariamente procedere per piccoli steps. Una possibile scaletta potrebbe essere la seguente:

• definizione di un insieme di obiettivi
• scelta di una tecnologia pilota per realizzare un primo insieme di gateway e end-nodes
• creazione di un “dimostratore” destinato a familiarizzare con la tecnologia e da utilizzare per eventuali presentazioni o laboratori di “hand’s on” 
• creazione di una community associata al progetto e aperta a contributi da parte di persone che si interessano di IoT, non necessariamente radioamatori o esperti di radio.
• definizione di opportune metriche per la valutazione degli aspetti di pianificazione dei livelli bassi del sistema IoT e in particolare del livello LoRa
• definizione di applicazioni o implementazioni base sull’uso della rete IoT.

 

Resto in attesa di idee e contributi sul tema posto….