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SETTEMBRE 2020 FIELDBUS & NETWORKS 32 Fieldbus & Networks Gateway non sono esplicitamente accoppiati ai dispositivi, i quali inviano semplicemente i dati sul canale wireless assumendo che esi- sta almeno un Gateway raggiungibile. Per questo motivo più Gateway possono ricevere lo stesso messaggio generato dallo stesso di- spositivo, che inoltreranno al Network server. Sarà successivamente compito di quest’ultimo scartare i messaggi duplicati e scegliere con quale Gateway interfacciarsi per raggiungere un determinato dispositivo. - Network server : è collocato al centro dell’architettura e gestisce la rete LoRaWAN. Si occupa principalmente di svolgere compiti rivolti alla corretta gestione del sistema di co- municazione, effettuando, per esempio, ope- razioni di sicurezza, verificando gli indirizzi, memorizzando i percorsi di rete, gestendo i parametri radio tramite la funzionalità Adap- tive Data Rate (ADR) e la temporizzazione delle operazioni di downlink. Il protocollo LoRaWAN 1.1 ha introdotto fun- zionalità di mobilità per i dispositivi, per que- sto motivo ogni Network server, a seconda della trasmissione in atto, viene identificato come Home (hNS), Forwarding (fNS) oppure Serving (sNS). - Application server : offre servizi di fun- zionamento per una specifica applicazione, genera i dati inviati ai dispositivi e gestisce opportunamente le informazioni ricevute. Le modalità di comunicazione tra Network server, Application server e Join server vengono de- scritte nelle ‘LoRaWAN Backend Interfaces’. - Join Server : gestisce il processo di attiva- zione Otaa dei dispositivi attraverso l’elabora- zione della procedura di join e la derivazione delle chiavi di sessione. Lo stack LoRa Il paradigma di comunicazione promosso dalla LoRa Alliance introduce uno stack di protocollo composto sostanzialmente da un livello fisico e da uno MAC (si veda Figura 2). Il livello fisico LoRa rappresenta principalmente la tecnica di modulazione del segnale LoRa uti- lizzata dal protocollo LoRaWAN di livello MAC. Livello fisico: modulazione LoRa LoRa, acronimo di Long Range, è una tecnica di modulazione Spread Spectrum proprieta- ria basata sulla modulazione Chrip Spread Spectrum, inizialmente sviluppata dalla so- cietà Cycleo e successivamente acquisita da Semtech Corporation. La modulazione del segnale si avvale delle bande di frequenza definite dall’Unione Inter- nazionale delle Telecomunicazioni (ITU) come ISM (Industrial, Scientific and Medical), riser- vate ad applicazioni di radiocomunicazione a uso industriale, scientifico e medico. Per utilizzare tali bande di frequenza non è neces- sario chiedere l’autorizzazione, occorre però rispettare le relative specifiche nazionali che in Europa sono regolamentate dall’ente ETSI (European Telecommunications Standards Institute) e negli Stati Uniti dal FCC (Federal Communications Commission). Questa tecnologia permette una comunica- zione robusta alle interferenze a lungo raggio. Un dispositivo LoRa, al fine di gestire presta- zioni e consumi della trasmissione, può essere configurato in modo che presenti determinati valori di potenza trasmissiva, frequenza por- tante, spreading factor, larghezza di banda e coding rate. Le tecniche di modulazione Spread Spectrum si basano sull’espansione dello spettro del segnale da trasmettere, al fine di migliorare la qualità della comunicazione. Le forme d’onda generate sono tipicamente mu- tuamente ortogonali fra loro, conferendo così una buona resistenza alle interferenze anche durante trasmissioni contemporanee. Un segnale contenente informazioni viene tra- smesso dopo l’operazione di Spreading, nella quale viene modulato opportunamente al fine di occupare una banda molto più grande ri- spetto a quella iniziale. La modulazione LoRa utilizza una tecnica Spread Spectrum pro- prietaria che si basa sulla modulazione Chirp Spread Spectrum. I dati sono codificati all’in- terno del segnale come simboli; ogni simbolo è individuato da una particolare variazione della frequenza a una determinata variazione istantanea di frequenza del segnale, oppure a una sua mancanza. LoRa codifica all’interno dei simboli un certo numero di bit che rappre- sentano l’informazione da trasmettere (una misura del numero di bit codificati per simbolo è definita dallo Spreading Factor). La potenza di trasmissione utilizzata per in- viare un pacchetto determina la maggior parte del consumo energetico di un dispositivo. Se- condo le specifiche può essere regolata dai -4 dBm ai 20 dBm, ma tipicamente i chip prodotti che si trovano in commercio possono trasmet- tere con potenze che variano tra i 2 dBm e i 20 dBm (trasmissioni con potenze maggiori di 17 dBm devono usare un ‘Duty Cycle’ di valore massimo 1%). Il Duty Cycle è un parametro utile a determi- nare per quanto tempo il dispositivo trasmette utilizzando una certa frequenza. Tipicamente gli enti che regolamentano l’utilizzo delle bande di frequenze, nei vari Paesi, indicano un valore limite per questo parametro al fine di evitare congestioni del mezzo trasmissivo. La frequenza portante è quella di riferimento, con la quale si individuano i canali: può variare dai 137 MHz ai 1.020 MHz. Comunque, in base al particolare chip LoRa utilizzato, questo range di frequenze può subire variazioni. La larghezzadi banda (bandwidth) indica l’am- piezza dell’intervallo di frequenze utilizzate per la trasmissione. Una larghezza di banda maggiore conferisce un data rate più alto grazie al quale la durata della trasmissione risulta inferiore e conferisce una minore sensibilità ai rumori. Una banda minore, viceversa, provoca un aumento della sensibilità ai rumori e un data rate inferiore. Figura 2 - Lo stack del protocollo LoRa