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NOVEMBRE 2022 FIELDBUS & NETWORKS 48 Fieldbus & Networks Rispetto alle comunicazioni tradizionali, l’IoT comprende diversi sistemi ete- rogenei, come reti locali (LAN), reti di sensori wireless (WSN), reti cellulari, reti mesh e ad hoc, la cui interoperabilità è assicurata dall’utilizzo comune dei protocolli Internet esistenti, come il protocollo Internet v6 (IPv6). Nello scenario industriale le applicazioni richiedono spesso requisiti se- veri in termini di qualità del servizio (QoS), robustezza, affidabilità, latenza, determinismo, isocronismo, efficienza energetica e sicurezza. Quindi, è necessaria un’attenta selezione della rete più appropriata per la specifica applicazione, al fine di soddisfare tali requisiti e fornire soluzioni IIoT ef- ficaci. Inoltre, il vero potenziale dell’IIoT può essere liberato solo quando è prevista un’architettura di comunicazione wireless. Di conseguenza, è necessario analizzare l’idoneità delle diverse reti wireless in vista della loro implementazione in applicazioni IoT industriali. A questo proposito, sono stati presi in considerazione diversi sistemi di comunicazione wireless per applicazioni IoT. Si va da soluzioni a brevissimo raggio, come la comuni- cazione di prossimità (NFC), a quelle a raggio estremamente lungo, come Wimax, e da tecnologie a basso consumo, come Bluetooth Low Energy (BLE), a quelle ad alta potenza, come le reti cellulari (3G/4G/5G). Sono molto apprezzati anche i numerosi emendamenti allo standard Ieee 802.11 per Wireless LAN (Wlan) e allo standard Ieee 802.15.4 per Wireless personal area network (Wpan). Inoltre, esistono reti di sensori wireless industriali, e più specificamente reti wireless dedicate per applicazioni industriali, come WirelessHart e ISA 100.11°, attualmente in fase di espansione. Reti a bassa potenza Oltre alle soluzioni citate, nello scenario IoT sono emerse di recente le reti a bassa potenza Wide Area Network (Lpwan), le più popolari delle quali sono NB-IoT, SigFox, Ingenu Weightless e, appunto, Lorawan. Queste reti, disponi- bili su bande autorizzate e non, consentono un raggio di comunicazione fino a diversi km, con una durata della batteria estremamente lunga, a scapito però della banda, che è limitata. Attualmente, le Lpwan sono utilizzate principal- mente per applicazioni di monitoraggio outdoor, come quello ambientale e lo smart metering. Tuttavia, le loro caratteristiche sono interessanti anche per applicazioni IIoT. In effetti, l’efficienza energetica significativamente elevata dei dispositivi Lpwan può rivelarsi davvero interessante per implementazioni IIoT con- venienti. Inoltre, la notevole robustezza della comunicazione, che consente alle Lpwan di ottenere comunicazioni a lungo raggio, può essere utile in applicazioni industriali in cui il canale wireless è spesso compromesso da multipath e fading, dando loro un vantaggio rispetto ad altre tecnologie wireless a bassa potenza. A proposito di Lorawan Come già accennato, Lorawan è un proto- collo standard di rete aperto, che definisce principalmente il livello MAC (Medium Ac- cess Control) e i formati dei messaggi. Si basa su LoRa, un livello fisico proprietario sviluppato da Semtech Corporation e derivato dalla tecnica di modulazione dello spettro di diffusione chirp (CSS). In questa tecnologia, ogni simbolo è distribuito in una larghezza di banda fissa B e la durata del simbolo varia in base a un indice chiamato fattore di diffusione (SF), che può variare tra 7 e 12. Di conseguenza, la durata di un simbolo varia da: Questa tecnica di spreading permette di recuperare i dati anche quando la potenza ricevuta è molto bassa (anche sotto il livello di rumore), offrendo così una comunicazione molto robusta, ma al prezzo di una velocità di tra- smissione dati ridotta, non superiore a 5,47 kbps. Inoltre, le trasmissioni con diversi fattori di diffusione sono in qualche modo ortogonali tra loro, aumentando la capacità della rete. Le reti Lorawan sono utilizzate nelle bande senza licenza (ISM) industriali, scientifiche e mediche: banda 863-870 MHz in Europa e 902–928 MHz negli Stati Uniti. Secondo le normative, in queste bande i dispositivi trasmittenti devono limitare la loro potenza massima a 14 dBm (27 dBm nella sottobanda 869,4- 869,65 MHz) e adottare un segnale in trasmissione con duty-cycle 0,1, 1 o 10%, secondo la sottobanda impiegata, oppure adottando la tecnica ‘listen- before-talk-adaptive-frequency-agility’ (LBT/AFA, letteralmente ‘ascolta prima di parlare agilità di frequenza adattiva’). Riguardo al formato dei messaggi, la terminologia LoRa distingue tra mes- saggi di uplink e downlink. I primi sono inviati dall’end device verso il net- work server e inoltrati da uno o più gateway; tali messaggi utilizzano la modalità esplicita del pacchetto radio LoRa, in cui il trasmettitore aggiunge l’intestazione fisica LoRa (Phdr), un CRC di intestazione (Phdr_CRC) e un CRC del payload che ne protegge l’integrità. I messaggi di downlink, invece, sono inviati dal network server verso un unico end device e inoltrati da un unico gateway. Tali messaggi utilizzano il pacchetto radio in modalità esplicita includendo l’header fisico LoRa (Phdr) e un header CRC (Phdr_CRC). Al fine di permettere la ricezione dei messaggi di downlink, l’end device apre due piccole fi- nestre di ricezione a seguito di ogni trasmis- sione in uplink. L’inizio della prima finestra Struttura dei livelli ISO/OSI Struttura di un messaggio fisico di Uplink