Modalità di funzionamento a relè per estendere la copertura LoRaWAN

La modalità di funzionamento Relay è una nuova e potente funzionalità della tecnologia LoRaWAN per estendere la portata e la copertura di Reti LoRaWAN e migliorarne l'affidabilità. Questa nuova funzionalità LoRaWAN offre due vantaggi principali: in primo luogo, estenderà la portata delle reti LoRaWAN e, in secondo luogo, migliorerà la copertura e l'affidabilità per i dispositivi LoRaWAN che hanno una connessione scarsa con i gateway a causa della loro posizione remota (ad esempio, contatori di acqua e gas nei seminterrati, parchimetri). La funzionalità di relay LoRaWAN contribuirà anche all'adozione e alla diffusione massiccia dell'IoT. I nodi relay, analogamente ai dispositivi e ai sensori LoRaWAN, funzionano a batteria e sono quindi semplici da implementare e a basso costo. Inoltre, i nodi relay contribuiranno a ottenere una copertura di rete robusta e l'affidabilità per tutti. Dispositivi LoRaWAN e i sensori, riducono il numero di ritrasmissioni e, in alcuni casi, riducono significativamente i costi di rete, poiché gli operatori non dovranno implementare gateway aggiuntivi per alcuni dispositivi o sensori. Per una migliore comprensione della nuova modalità operativa Relay e dei nodi Relay, concentriamoci sui vantaggi specifici che possono offrire e sul modo in cui li ottengono.

Come funziona la connettività LoRaWAN standard?

Il protocollo LoRaWAN supporta l'implementazione di gateway, progettati per ricevere e inviare messaggi da e verso dispositivi finali e sensori. Lo standard LoRaWAN implica che il gateway riceva i messaggi e li inoltri al server di rete. Il gateway può supportare più canali, quindi in genere un singolo gateway riceverà risposte da migliaia di dispositivi finali e sensori. Dispositivi LoRaWAN e sensori e trasmettono questi messaggi al server di rete. Viceversa, i messaggi ricevuti dal server di rete vengono inviati a ciascun dispositivo e sensore LoRaWAN. Per questo motivo si usa il termine gateway anziché stazione base: quest'ultimo implicherebbe l'elaborazione dei messaggi in modo simile alle tecnologie 4G-5G prima di inviarli al server di rete o ai dispositivi e sensori.

Protocollo di sicurezza

Il protocollo di comunicazione standard LoRaWAN utilizza la crittografia per il trasferimento sicuro dei dati di inoltro. Le trasmissioni LoRa sono protette da uno schema di crittografia a 128 bit. Questa crittografia si ottiene utilizzando due chiavi di sessione, una gestita dal server di rete e l'altra dal server applicativo. Ciascuna chiave di sessione viene generata durante lo scambio di informazioni tra il dispositivo finale e il server di rete. Una volta che un dispositivo si è connesso alla rete, può inviare e ricevere dati in modo sicuro. La chiave NwkSKey fornisce la protezione dell'integrità dei messaggi, mentre la chiave AppSKey fornisce la crittografia.

Attivazione

Durante l' Rete LoRaWAN Durante il processo di attivazione, un server di rete e un nodo finale devono derivare le stesse chiavi di sessione utilizzando le informazioni scambiate sul dispositivo, i valori nonce e le chiavi segrete condivise. Le chiavi di sessione vengono utilizzate solo per la sessione corrente del nodo finale. Poiché le chiavi di sessione vengono rigenerate durante ogni successiva procedura di join, la perdita o il furto di queste chiavi non è critico quanto quello delle chiavi radice. È opportuno precisare che l'aggiunta di un nodo relay non compromette in alcun modo la sicurezza di LoRaWAN, quindi non dovrebbe essere motivo di preoccupazione.

Come funziona la funzione di inoltro LoRaWAN?

La modalità di funzionamento a relè è una nuova funzionalità di LoRaWAN che contribuisce a garantire che un gateway riceva dati da un dispositivo che potrebbe essere troppo distante per essere trasferito senza un nodo relè. Per estendere la copertura di rete, LoRaWAN può utilizzare una nuova funzionalità di relè, semplice da implementare ed economica. I relè LoRaWAN utilizzano messaggi LoRaWAN in uplink e downlink per trasferire i dati. Una volta ricevuto l'uplink dal dispositivo finale, il meccanismo di relè avvolge il messaggio iniziale con alcune informazioni aggiuntive e invia un uplink al gateway. Successivamente, il gateway inoltra questo uplink al server di rete che lo riconosce come messaggio relè. Idealmente, un modulo relè ben posizionato, robusto e resistente alle interferenze consentirà la comunicazione bidirezionale con i dispositivi che erano fuori dalla portata della copertura di rete originale.

Per utilizzare la nuova funzionalità di inoltro, i dispositivi LoRaWAN devono supportare la comunicazione di classe A. Si tratta di una comunicazione wireless bidirezionale e asincrona, che consente a ciascuna trasmissione in uplink di avvenire in qualsiasi momento, seguita da finestre di downlink. La comunicazione di classe A viene utilizzata anche per inviare e ricevere comandi di controllo di rete. Permette a un dispositivo finale LoRaWAN di entrare in uno stato di sospensione a basso consumo per la durata specificata dall'applicazione.

L'attuale standard LoRaWAN, basato sullo standard di livello di collegamento LoRaWAN, è costituito da dispositivi finali e gateway. Mentre l'attuale specifica di rete LoRa consente un solo hop tra dispositivi finali e gateway, l'approccio a due hop disponibile con un modulo relè ha il vantaggio di migliorare significativamente l'area di copertura. Come già accennato, un modulo relè alimentato a batteria è estremamente economico ed è in grado di trasferire frame LoRaWAN per ottenere la copertura necessaria.

Quali problemi risolverà la nuova funzionalità a relè?

L'aggiunta di una funzionalità di relay alla rete IoT contribuirà a ottenere una solida estensione della copertura di rete in un'ampia gamma di settori verticali chiave. Se disponete di una rete Internet of Things e desiderate ottenere un'eccellente copertura, dovreste includere un gateway verso un nodo LoRaWAN o una funzionalità di relay. Domani esaminerete i requisiti di copertura di rete e rimarrete sorpresi da quanto siano diversi da quelli odierni, quindi, se volete avere una solida base nel settore tecnologico, dovreste considerare l'integrazione di questo elemento essenziale nella vostra connettività Internet.

La funzionalità di inoltro offre un vantaggio significativo per i dispositivi remoti che necessitano di una copertura sotterranea estremamente difficile o per i casi che richiedono una copertura interna profonda. L'estensione della copertura di rete è necessaria per i contatori all'interno di armadi metallici, in ambienti particolarmente difficili come quelli in prossimità di curve, per i sistemi di allarme antincendio degli edifici, per gli incendi boschivi, per le inondazioni/valanghe/movimenti tellurici e in casi simili che richiedono una copertura di rete interna profonda e robusta. Le sfide ambientali che caratterizzano molti ambiti delle smart city e delle aree remote impediscono ai dispositivi di funzionare al meglio, poiché potrebbero non disporre di una copertura di rete completa. L'attivazione della funzionalità di inoltro a partire da domani ci consentirà di realizzare implementazioni IoT su larga scala. Grazie ai punti di inoltro, le comunicazioni a lungo raggio saranno disponibili anche in ambienti sotterranei, in cemento e in metallo estremamente difficili.

Perché è preferibile utilizzare ripetitori LoRaWAN piuttosto che gateway aggiuntivi?

Potreste porvi questa domanda, e sarebbe del tutto giustificata. Potreste pensare che sia più semplice ed efficace aggiungere un altro gateway al sistema piuttosto che adottare un ripetitore. Ma quando si punta ad estendere la copertura di rete, non esiste una scelta tra gateway e modulo ricevitore ripetitore. Se aggiungete un altro gateway per ottenere la copertura necessaria, dovrete impegnarvi di più per adattare l'alimentazione e la connessione di backhaul, e spenderete di più. Con un nodo ripetitore, invece, potete ottenere la stessa copertura più facilmente utilizzando l'alimentazione a batteria e la connessione LoRaWAN.

Costo più basso

La funzionalità di relay LoRaWAN, a sua volta, è meno costosa dei gateway IoT tradizionali, più facile da integrare e molto più efficiente nell'estensione della copertura di rete. Oltre ad essere una soluzione economica, questa modalità operativa è un'ottima scelta per le aziende che dispongono già di una propria architettura IoT e ne conoscono i limiti fisici. Inoltre, un solido programma di certificazione LoRaWAN con un meccanismo di relay integrato consente alle aziende di ridurre il numero di gateway necessari, un fattore chiave quando si cerca di risparmiare.

Gli endpoint relay creano un metodo di comunicazione multi-hop che migliora la copertura LoRaWAN in ambienti particolarmente difficili, quando i gateway non sono in grado di ricevere direttamente i segnali dei sensori per garantire comunicazioni a lungo raggio. I membri della LoRa Alliance hanno riconosciuto che l'aggiunta della specifica relay offre numerosi vantaggi, tra cui costi ridotti e una maggiore copertura. Rappresenta inoltre un'ottima soluzione per il settore delle utility, poiché i sensori di misurazione richiedono una copertura sotterranea, il che rappresenta un'enorme opportunità di mercato per i dispositivi relay alimentati a batteria.

Copertura di rete completa

L'estensione della copertura di una rete di ripetitori può aumentare notevolmente il raggio di comunicazione. L'aggiunta di un modulo ripetitore può anche semplificare l'implementazione delle reti LoRaWAN e contribuire a consentire una diffusione su larga scala dell'IoT nelle città intelligenti e nelle aree remote. Il vantaggio della modalità operativa a ripetitori rispetto alle reti mesh è che richiede un minor numero di nodi.

La nuova funzionalità di inoltro ha tutte le carte in regola per diventare un componente chiave delle reti LoRa. Può migliorare le prestazioni dei sensori e risolvere il problema della copertura insufficiente. Un modulo di inoltro garantirà comunicazioni end-to-end fluide per i contatori dell'acqua all'interno di armadi metallici, i dispositivi per parcheggi sotterranei e i componenti IoT esterni esposti a condizioni meteorologiche estreme. I moduli di inoltro utilizzeranno il feedback di un gateway per determinare quando trasmettere i dati al dispositivo finale e quando inoltrare ulteriormente i frame LoRaWAN. Questa tecnologia è progettata per essere compatibile con la maggior parte delle applicazioni standard LoRaWAN, quindi dovrebbe diventare una scelta comune per la maggior parte dei principali settori verticali.

In che modo i gateway risultano superiori ai nodi relay?

È importante valutare l'opzione di aggiungere ulteriori gateway per garantire un monitoraggio ottimale. I gateway offrono maggiore capacità, prestazioni superiori e un consumo energetico inferiore rispetto alla nuova funzionalità di inoltro.

Capacità maggiore

La capacità della rete è una funzione della densità dei gateway. Per massimizzare la capacità della rete preservando al contempo la potenza della batteria dei nodi finali LoRa, Gateway LoRaWAN Il sistema utilizza un meccanismo di velocità di trasmissione dati adattivo. Questo meccanismo invia i pacchetti alla velocità più bassa quando i sensori sono più vicini al gateway. La velocità più elevata viene utilizzata quando i sensori sono più lontani dal gateway. In questo modo, gateway e dispositivi funzionano a piena capacità in questo contesto.

Minore consumo di energia

Il basso consumo energetico è uno dei requisiti chiave per un modulo LoRa. Diversi fattori possono determinare il consumo energetico, come la modalità operativa e il tempo di attività del dispositivo. In genere, le modalità operative consumano più energia rispetto alle modalità di sospensione. Pertanto, è necessario considerare entrambi questi fattori quando si calcola il consumo energetico di un modulo LoRa. Dispositivo LoRaWAN.

Le reti LoRaWAN sono sempre configurate con una topologia a stella, in cui i gateway fungono da ripetitori tra i dispositivi finali e inviano messaggi al server di rete. Aggiungendo un ulteriore gateway, anziché sostituire il ripetitore con un altro, è possibile massimizzare la quantità di dati trasferiti e minimizzare il consumo energetico. La modalità a basso consumo dei gateway consente ai dispositivi finali di entrare in una modalità di risparmio energetico. Inoltre, il dispositivo può rimanere in questa modalità per tutto il tempo necessario all'applicazione.

I dispositivi endpoint LoRaWAN dovrebbero essere sistemi a basso consumo energetico. È fondamentale evitare l'aggiunta eccessiva di funzionalità, che porta il sistema a consumare più energia del necessario. Anche la frequenza di clock e la dimensione della memoria dovrebbero essere mantenute basse, poiché questi fattori influenzano il consumo energetico dei dispositivi endpoint LoRaWAN. L'aggiunta di un ulteriore gateway comporta solo un costo nominale del dispositivo stesso, quando le spese energetiche saranno estremamente basse.

migliori prestazioni

I gateway sono molto più potenti dei nodi relè grazie all'hardware robusto, alle capacità di trasmissione e ricezione e ai filtri RF. In ogni caso, i gateway possono gestire un numero maggiore di dispositivi e garantire prestazioni migliori dell'intero sistema intelligente.

Quali sono i punti importanti da considerare riguardo alla funzione relè?

A prima vista, esaminando le informazioni fornite sulla modalità relay, potrebbe sembrare la soluzione perfetta a tutti i problemi esistenti nel mercato dell'IoT. Tuttavia, è necessario rimanere obiettivi e applicare un pensiero critico alla questione, senza lasciarsi abbagliare da una campagna promozionale. Innanzitutto, per estendere la copertura con i relay, le aziende dovranno integrare nuovi dispositivi con un firmware compatibile con questa funzionalità. Questo potrebbe non rappresentare un problema per le piccole imprese, ma se parliamo di aziende globali o smart city, l'acquisto di un gran numero di nuovi dispositivi solo per iniziare a utilizzare la modalità relay potrebbe risultare eccessivamente costoso e irragionevole.

Un altro importante motivo di preoccupazione è la riduzione della durata della batteria. Si prevede che i dispositivi finali, che funzioneranno in modalità relè, avranno una durata della batteria pari a ½-¼ rispetto a un normale dispositivo di classe A. Tale riduzione è dovuta ai processi aggiuntivi coinvolti nel funzionamento in modalità relè. Ad esempio, un dispositivo dovrà inviare un segnale WakeOnRadio "ad alto consumo energetico" per notificare il relè, il che dovrebbe comportare il maggiore aumento del consumo di energia. Naturalmente, non possiamo affermare con certezza che sarà così prima di aver effettuato test sul campo, ma queste stime sono plausibili e devono essere prese in considerazione.

È importante tenere presente che, sebbene un relay possa estendere la copertura e sia molto più economico di un gateway aggiuntivo, consumerà sempre capacità di rete. I gateway rappresentano un'opzione più stabile e superiore in termini di prestazioni. Pertanto, la scelta di adottare o meno questa nuova funzionalità di relay dipende principalmente dagli obiettivi che si intendono raggiungere.

In che modo TEKTELIC intende gestire la nuova funzionalità di relè?

TEKTELIC è leader nel mercato LoRaWAN con il suo più ampio portfolio di gateway, dispositivi, sensori e soluzioni di livello carrier e si impegna costantemente a trovare il modo di aumentare il valore per i propri clienti e per l'intero ecosistema LoRaWAN. Ascoltiamo i nostri clienti per comprenderne le esigenze. Crediamo che la modalità Relay risolverà in qualche modo una serie di problemi che i clienti attuali si trovano ad affrontare e ridurrà il costo totale di proprietà (TCO) per gli operatori. Contribuiamo al suo sviluppo e alla sua introduzione nello standard LoRaWAN e abbiamo deciso di condividerla con voi, iniziando a lavorare in questa direzione. Conosciamo numerose applicazioni in cui la modalità Relay sarà utile per monitorare risorse statiche nelle smart city, nel settore delle utility, nei parcheggi e in altri ambiti. In qualità di membro sponsor dell'associazione LoRaWAN, TEKTELIC conta oggi oltre 450 clienti, è leader nell'adozione massiccia dell'IoT e ritiene che questa funzionalità sarà utilizzata da molti dei suoi clienti attuali e futuri. Allo stesso tempo, vogliamo essere obiettivi e per questo vi illustriamo tutti i pro e i contro.

Da asporto principali

Dispositivi LoRa offrono molte caratteristiche interessanti per le applicazioni IoT. Sono progettati per essere a basso consumo energetico e possono essere implementati sia su reti pubbliche che private. I dispositivi LoRa possono anche integrarsi facilmente nell'infrastruttura esistente. La nuova modalità relay, a sua volta, può diventare una vera rivoluzione per ambienti difficili. Un nodo alimentato a batteria risolverà il problema del trasporto dei pacchetti LoRaWAN dal porta ai dispositivi finali e ai sensori LoRaWAN attraverso muri spessi, coperture metalliche a terra, parcheggi sotterranei, telai metallici e altri ambienti difficili da raggiungere.

Attualmente, tutti i membri sponsor e contributori della LoRa Alliance, tra cui TEKTELIC, collaborano strettamente per finalizzare le specifiche del modulo relè, in modo che le aziende possano produrlo, testarlo e renderlo disponibile ai propri clienti. Mentre il nostro team di ricerca e sviluppo sta lavorando al dispositivo relè vero e proprio, il nostro obiettivo è quello di fornire una comprensione chiara e semplice di questa nuova funzionalità e dei suoi vantaggi.

Rimane comunque visibile l'elenco delle sfide, che potrebbero essere importanti da affrontare, come ad esempio:

• Compatibilità dei relè con i dispositivi attuali e necessità di acquistarne di nuovi che supportino il firmware compatibile con i relè;
• Si prevede una minore durata della batteria dei dispositivi finali (da ½ a ¼ della durata della batteria rispetto agli attuali dispositivi di classe A);
• Aumento del consumo di capacità di rete;
• Impossibilità di costruire una rete MESH; (piuttosto il suo obiettivo è quello di fornire un'estensione di copertura significativa all'architettura a stella su cui si basa LoRaWAN).

È difficile dire ora quanto efficace si rivelerà questa modalità a relè, ma quando avremo a disposizione tutti i vantaggi e i possibili svantaggi, sarà molto più facile prendere decisioni.

Non esitate a visitare il nostro sito web ufficiale e controlla la sezione notizie per gli aggiornamenti. Sentiti libero di scrivi al nostro team di vendita Se avete domande, saranno lieti di aiutarvi.