Quali sono le bande di frequenza di LoRaWAN?

LoRaWAN e LoRa sono popolari come Rete geografica a bassa potenza (LPWAN) per la realizzazione di applicazioni Internet-of-Things (IoT). Tuttavia, nonostante il suo riconoscimento a livello mondiale, si osservano bande di frequenza di funzionamento diverse. In questo articolo analizzeremo la forza trainante di tale separazione e la necessità di tale separazione nelle bande di frequenza. In conclusione, discuteremo alcune di queste bande di frequenza utilizzate in diverse regioni. 

Alleanza e standard LoRa 

Come tutti sappiamo, LoRa è un popolare schema di modulazione radio ampiamente utilizzato per le applicazioni IoT LPWAN. Negli articoli precedenti abbiamo discusso diversi aspetti delle reti LoRa e LoRaWAN. In sintesi, le reti LoRa e LoRaWAN sono ampiamente utilizzate grazie al loro lungo raggio di funzionamento e ai dispositivi a basso consumo energetico.  

LoRa e LoRaWAN sono controllate e regolamentate da LoRa Alliance and Standards, che conta oltre 500 cooperative e molti fornitori di rete a livello globale. Semtech è stata una delle aziende fondatrici della LoRa Alliance, responsabile dell'introduzione della modulazione radio LoRa. Questa è stata fondata nel 2015 per potenziare le applicazioni basate su LoRaWAN per l'IoT di massa e il Machine-to-machine (M2M). La visione di LoRa Alliance è quella di potenziare l'IoT sostenibile per massimizzare l'efficienza e la sua missione è quella di realizzare l'IoT di massa attraverso l'adozione globale della tecnologia LoRaWAN. Oltre alla standardizzazione, LoRa Alliance è anche responsabile della promozione di applicazioni IoT massive basate su LoRa e dell'organizzazione di webinar e videoconferenze. È possibile accedere a queste informazioni tramite https://lora-alliance.org/about-lora-alliance/# . 

Tuttavia, nonostante l'unificazione globale attraverso alleanze come LoRa Alliance, le diverse regioni hanno frequenze operative diverse per le applicazioni LoRa e LoRaWAN. La principale forza trainante di questa differenza è esclusivamente una preferenza degli operatori di rete della regione, basata sulla disponibilità e sul rispetto dei requisiti normativi. 

Spettro di frequenza senza licenza della modulazione LoRaWAN 

L'utilizzo di canali con o senza licenza è uno dei fattori più importanti da considerare quando si progetta una rete wireless privata. La maggior parte delle prime reti di comunicazione wireless IoT, come le reti cellulari, operano sullo spettro con licenza. L'uso dello spettro con licenza richiede costi aggiuntivi di licenza e ha una flessibilità limitata sullo spettro per l'utente. Pertanto, la maggior parte dei casi d'uso dell'IoT si basa sullo spettro di frequenze senza licenza. Lo spettro senza licenza nella 2,4 bande GHz e 5 bande GHz sono utilizzate da Wi-Fi e Bluetooth. La portata dei gateway è di pochi metri e queste frequenze sono talmente congestionate da causare gravi problemi di affidabilità. 

Per superare le inutili limitazioni dovute a interferenze e rumori nelle bande 2,4 GHz e 5 GHz, LoRaWAN utilizza bande di frequenza sub-gigahertz senza licenza, come 169 MHz, 433 MHz, 868 MHz (Europa) e 915 MHz (Nord America). Queste bande a bassa frequenza supportano basse velocità di trasmissione dati tra 0,3 e 50 kbps. L'uso dei sub-gigahertz facilita la connessione di apparecchiature distanti fino a un raggio di 10 km (6 miglia). L'uso dello spettro di frequenza sub-gigahertz senza licenza consente di installare LoRaWAN a basso costo. 

Perché bande di frequenza diverse per regioni diverse? 

Sebbene non tutte le larghezze di canale siano supportate in ogni regione, LoRaWAN è spesso suddivisa in larghezze di canale di 125, 250 o 500 kHz a seconda delle regioni. La ragione principale di questa separazione è dovuta ai requisiti normativi che devono essere soddisfatti a seconda delle diverse regioni. 

Questa diversa allocazione delle frequenze è descritta nei parametri regionali LoRaWAN RP2-1.0.3, rilasciati nel maggio 2021. Tuttavia, nonostante l'uso di frequenze operative diverse, le specifiche del protocollo LoRaWAN per tutte le regioni sono intatte. Maggiori informazioni su queste diverse bande di frequenza nella prossima sezione. 

Bande di frequenza LoRaWAN in diverse regioni 

Ora discuteremo le diverse allocazioni di frequenza per le applicazioni LoRaWAN nelle varie regioni. Di seguito è riportato un riepilogo regionale delle assegnazioni. 

*EIRP: Potenza nominale isotropica effettiva 

Analizziamo alcuni dei principali parametri regionali desunti dalla sintesi sopra riportata. 

1. Banda UE863-870 

Questo si applica alle regioni definite dallo standard ETSI [EN300.220], utilizzato in tutti i Paesi europei, compresi quelli extraeuropei come il Bahrein. Inoltre, paesi come l'Albania utilizzano una gamma di frequenze leggermente diversa (863-873 MHz).  

Nella banda EU863-870 ci sono 16 canali con 3 canali predefiniti e 5 canali opzionali definiti dalla CFlist. In questa banda di frequenza, i seguenti tre canali predefiniti sono obbligatori poiché vengono utilizzati dai dispositivi finali per trasmettere il messaggio di richiesta di adesione: 

• 868,10 Canale MHz 
• 868,30 Canale MHz 
• 868,50 Canale MHz 

Considerando la velocità di trasmissione dati supportata dalla banda EU863-870, tutti i dispositivi finali devono supportare le seguenti opzioni di velocità di trasmissione dati nella rete. 

• DR0 - DR5: si tratta della velocità minima di trasmissione dei dati supportata per ottenere la certificazione LoRaWAN. 
• DR0 - DR7 
• DR0 - DR11: tutte le velocità di trasmissione dei dati sono implementate nel dispositivo finale. 

A seconda della velocità di trasmissione dei dati, le dimensioni massime del carico utile dell'applicazione sono diverse. Queste sono elencate di seguito: 

2. US902-928 Banda industriale, scientifica e medica (ISM) 

Questo vale per le regioni degli Stati Uniti, del Canada e di tutti gli altri paesi che utilizzano i codici 902-928. Banda ISM. 

Ci sono 64 canali upstream con una larghezza di banda di 125 kHz e 8 canali upstream con una larghezza di banda di 500 kHz. Inoltre, ci sono 8 canali downstream con una larghezza di banda di 500 kHz. Come nella banda EU863-870, ci sono frequenze di canale obbligatorie che vengono utilizzate per la richiesta di connessione. Queste sono: 

• Upstream: 64 canali - 902,3-914,99 MHz con incrementi di 200 kHz 
• Upstream: 8 canali - 903,0-914,2 MHz con incrementi di 1,6 MHz 
• Downstream: 8 canali - 923,3-927,5 MHz con incrementi di 600 kHz 

Le opzioni di velocità di trasmissione dati supportate in questa banda sono: 

• DR0 - DR4 e DR8 - DR13: questo è il set di velocità di trasmissione dati minimo richiesto per ottenere la certificazione LoRaWAN. 
• DR0 - DR13: tutte le velocità di trasmissione dei dati sono implementate nel dispositivo finale. 

Le dimensioni massime del carico utile supportate dipendono dalla velocità di trasmissione dei dati, che può arrivare a 242 byte per DR15. 

Dal momento che abbiamo parlato di due bande di frequenza principali utilizzate in diverse regioni per LoRaWAN, è opportuno precisare che esistono alcune impostazioni predefinite per tutte le regioni. Il ritardo RX1 per tutte le bande è di 1s e il ritardo RX2 è di 2s. Inoltre, il ritardo del join accept 1 è di 5s, mentre il ritardo del join accept 2 è di 6s. Per ulteriori informazioni sulle diverse bande si può accedere a https://lora-alliance.org/resource_hub/lorawan-regional-parameters-v1-1ra/ . 

Conclusione 

In questo articolo abbiamo discusso brevemente la necessità di diverse bande di frequenza per LoRaWAN e il motivo per cui lo spettro di frequenza non licenziato viene utilizzato specificamente per LoRaWAN. In conclusione, possiamo affermare che, sebbene in diverse regioni si utilizzino bande di frequenza diverse, a seconda della disponibilità e delle normative, LoRaWAN è stata riconosciuta a livello globale come un buon candidato per realizzare reti LPWAN.