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Le Reti Mesh sono un’architettura di rete in cui i nodi (dispositivi) sono interconnessi in modo non gerarchico, consentendo a ciascun nodo di comunicare direttamente con gli altri senza passare attraverso un punto centrale, come un router o un gateway. Ogni nodo potenzialmente può agire sia come trasmettitore che come ricevitore, e i dati possono essere inoltrati attraverso più percorsi per raggiungere la destinazione.
Questa struttura offre diversi vantaggi:
Tuttavia, le Reti Mesh presentano anche alcune sfide:
Le Reti Mesh sono utilizzate in tecnologie wireless come Zigbee, Bluetooth Mesh, Thread e, in alcuni casi, protocolli proprietari basati su LoRa. Una delle tecnologie più rilevanti per le reti a bassa potenza e lunga portata è LoRaWAN, che adotta un approccio diverso rispetto alla topologia mesh tradizionale.
LoRa (Long Range) è una tecnologia di modulazione a spettro espanso derivata dalla tecnica Chirp Spread Spectrum (CSS), sviluppata da Cycleo (acquisita da Semtech nel 2012).
LoRa rappresenta il livello fisico (Physical Layer, PHY) di una rete wireless, definendo come i dati vengono modulati e trasmessi su bande di frequenza senza licenza (es. 868 MHz in Europa, 915 MHz in Nord America, 433 MHz in alcune regioni).
Le sue caratteristiche principali sono:
LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) è un protocollo di livello MAC (Media Access Control) basato su LoRa, sviluppato dalla LoRa Alliance, un’associazione no-profit fondata nel 2015 con oltre 500 membri, tra cui Semtech, Cisco, IBM e Orange.
LoRaWAN definisce:
A differenza di LoRa, che gestisce solo la modulazione del segnale, LoRaWAN stabilisce come i dispositivi (nodi finali) comunicano con i gateway e come questi si collegano ai server di rete tramite connessioni backhaul (es. Ethernet, Wi-Fi o cellulare).
A differenza delle Reti Mesh tradizionali (es. Zigbee, Bluetooth), LoRaWAN utilizza una topologia a stella, in cui i nodi finali comunicano direttamente con i gateway, che inoltrano i dati a un server di rete centrale. Di seguito, un confronto dettagliato:
Topologia di Rete Reti Mesh: I nodi fungono da ripetitori, inoltrando dati per estendere la copertura. Ciò aumenta la complessità e il consumo energetico. LoRaWAN: Topologia a stella, con nodi che trasmettono direttamente ai gateway. Questo elimina i nodi ripetitori, semplificando la rete e riducendo il consumo energetico.
Consumo Energetico Reti Mesh: I nodi ripetitori consumano più energia, riducendo la durata della batteria. LoRaWAN: I dispositivi finali trasmettono solo quando necessario (es. Classe A con ALOHA), consentendo una durata della batteria fino a 10-15 anni.
Portata e Copertura Reti Mesh: La portata è estesa tramite multi-hop, ma ogni hop può introdurre latenza e ridurre l’efficienza. LoRaWAN: Grazie alla modulazione CSS, offre una portata fino a 15 km (rurale) o 2-5 km (urbano) senza nodi ripetitori.
Capacità e Scalabilità Reti Mesh: In reti dense, il multi-hop può causare colli di bottiglia e ridurre la capacità. LoRaWAN: Supporta milioni di messaggi da migliaia di dispositivi, grazie alla ridondanza dei gateway e alla topologia a stella.
Sicurezza Reti Mesh: La sicurezza dipende dal protocollo (es. Zigbee usa AES-128). L’inoltro multi-hop può introdurre vulnerabilità. LoRaWAN: Crittografia end-to-end con chiavi di sessione AES-128 (Network Session Key e Application Session Key).
Complessità e Costi Reti Mesh: La gestione dei percorsi di inoltro aumenta la complessità. I costi possono crescere con l’aggiunta di nodi ripetitori. LoRaWAN: La topologia a stella è più semplice. I gateway possono essere costosi, ma i sensori sono economici e le bande ISM senza licenza riducono i costi.
LoRa utilizza la modulazione Chirp Spread Spectrum (CSS), che codifica i dati con segnali sinusoidali a frequenza variabile, distribuendo il segnale su una banda più ampia per migliorare la resistenza al rumore. Offre una sensibilità elevata (-110 dBm a -140 dBm), ideale per ambienti rumorosi.
I parametri principali includono:
LoRa è ideale per applicazioni IoT con piccoli pacchetti di dati, come monitoraggio ambientale, smart metering e agricoltura intelligente.
LoRaWAN definisce tre classi di dispositivi:
L’architettura LoRaWAN include:
Sebbene LoRaWAN utilizzi una topologia a stella, è possibile implementare una rete mesh usando la modulazione LoRa con un protocollo esterno. In una rete mesh LoRa, i nodi agiscono come ripetitori per estendere la copertura, utile in aree senza gateway.
Tuttavia, ciò richiede:
Esempio: moduli LoRa (es. SX1276 di Semtech) con microcontrollori come ESP32 per Reti Mesh private.
Vantaggi di LoRaWAN
Limitazioni di LoRaWAN
Le Reti Mesh offrono resilienza e flessibilità tramite inoltro multi-hop, ma sono complesse e consumano più energia. LoRaWAN, con la sua topologia a stella e modulazione LoRa, è ideale per applicazioni IoT a bassa potenza e lunga portata, grazie a semplicità, scalabilità e durata della batteria fino a 15 anni.
La scelta tra Reti Mesh e LoRaWAN dipende dai requisiti: le mesh per ambienti con nodi ravvicinati, LoRaWAN per comunicazioni a lunga distanza con consumi minimi. Sebbene possibile con LoRa, il mesh è meno comune rispetto a LoRaWAN, che domina per la sua standardizzazione e supporto dalla LoRa Alliance.