L'hardware mesh vive nel passato?

Da dove partiamo

Oggi Alex Beal ha pubblicato Why is mesh hardware living in the past?. La domanda è semplice. L'SX1262, il chip LoRa che c'è in quasi tutti i nodi MeshCore e Meshtastic, è uscito a gennaio 2018. Da allora Semtech ha fatto due nuove generazioni di chip, eppure schede appena lanciate come la Heltec T1 o il kit da 1 W di RAK usano ancora quello.

L'articolo ha due tesi: i chip nuovi sentono meglio, e i 2,4 GHz sono un'occasione sprecata. Il ragionamento sui 2,4 GHz però si basa sulle regole americane della FCC. Lo abbiamo rifatto con le regole europee, che sono quelle che valgono per noi.

I chip nuovi sentono di più

Beala confronta i chip a SF12 e 125 kHz. Abbiamo ricontrollato i datasheet Semtech e aggiunto SF7, l'altro valore che tutti e tre riportano:

Chip	Generazione LoRa	SF7, 125 kHz	SF12, 125 kHz
SX1262	2ª (2018)	−124 dBm	−137 dBm
LR1110	3ª	−127 dBm	−141 dBm
LR2021	4ª	−127,5 dBm	−141,5 dBm

A SF12 fra SX1262 e LR2021 ci sono 4,5 dB: il chip nuovo decodifica un segnale con circa il 35% della potenza che serve al vecchio, e in spazio libero arriva a circa 1,7 volte la distanza. A SF7 il vantaggio scende a 3,5 dB.

Il nostro preset usa SF8 a 62,5 kHz. Per questa combinazione il datasheet dell'LR2021 dà −132 dBm. Quello dell'SX1262 non la riporta: nella pagina sul link budget la stimiamo intorno a −130 dBm, ma è un'interpolazione. Con il nostro preset il vantaggio realistico è quindi fra 2,5 e 4 dB, a seconda di quanto è precisa quella stima. Meno dei 4,5 dB di Beala, ma sempre un guadagno che non costa potenza. Nella realtà, con colline ed edifici in mezzo, il guadagno di portata è minore di quello in spazio libero, ma i dB restano dB.

La terza generazione non è fantascienza: l'LR1110 è già dentro prodotti che usiamo, come il tracker Seeed SenseCAP T1000-E e il ThinkNode M3. Per la quarta c'è il SenseCAP MeshTracker X1 con LR2021. Il firmware alternativo ZephCore, compatibile con MeshCore, ha già driver per entrambi i chip, anche se quello per l'LR2021 è ancora giovane.

In Italia la sensibilità conta di più

Qui c'è la prima differenza con gli Stati Uniti, ed è a favore dei chip nuovi.

Nella sub-banda 869,4–869,65 MHz il limite è 500 mW ERP, qualunque sia l'antenna (vedi la normativa). Un'antenna con più guadagno non ci fa trasmettere più lontano: ci obbliga ad abbassare la potenza sul nodo. Lo abbiamo visto con la Yagi LFA di Fabrizio, dove con il cavo corto bastano 109 mW.

In trasmissione, quindi, siamo già al tetto. Le leve che restano sono tutte in ricezione: il guadagno dell'antenna che riceve e la sensibilità del chip. Il limite di potenza non tocca nessuna delle due. I 2,5–4 dB di un LR2021 sono tra i pochi dB "gratis" che la legge ci lascia prendere, e un repeater in cima a una collina li usa per tutti i nodi che lo raggiungono.

I 2,4 GHz: il trucco americano

La seconda tesi di Beala è più audace. A 2,4 GHz la propagazione è peggiore: circa 9 dB di attenuazione in più rispetto a 869 MHz a parità di distanza, e gli ostacoli passano peggio. In cambio le antenne sono piccole: un pannello da 18 dBi sta in 31 × 31 cm.

Negli Stati Uniti c'è anche una regola speciale per i collegamenti punto-punto a 2,4 GHz. Oltre i 6 dBi di antenna la potenza va ridotta solo di 1 dB ogni 3 dB di guadagno in più. Con quel pannello da 18 dBi si arriva a 44 dBm EIRP, cioè 25 W. Beala propone di usarlo per dorsali ad alta velocità fra una cima e l'altra, e l'idea ha senso.

Da noi il trucco non c'è

In Europa la banda 2400–2483,5 MHz segue la raccomandazione CEPT ERC/REC 70-03 e la norma ETSI EN 300 328. Il tetto generale per i sistemi a banda larga è 100 mW EIRP (20 dBm), antenna compresa, e non esiste un'eccezione per il punto-punto.

Per LoRa c'è un limite più stretto. Per le modulazioni a banda larga diverse dal salto di frequenza, la densità di potenza non può superare 10 mW per MHz. Un segnale LoRa a 2,4 GHz occupa al massimo 1,6 MHz, e con le bande più usate sta dentro un solo MHz: in pratica il limite scende a circa 10 mW EIRP (10 dBm). Con un pannello da 18 dBi la potenza sul nodo dovrebbe scendere a −8 dBm.

Il confronto con Beala è impietoso:

	Stati Uniti	Europa
LoRa a 2,4 GHz, pannello da 18 dBi	44 dBm EIRP (25 W)	circa 10 dBm EIRP (10 mW)
868/915 MHz	36 dBm EIRP (4 W)	27 dBm ERP (500 mW)

In più la norma distingue fra apparati adattivi, che ascoltano il canale prima di trasmettere, e non adattivi, che possono occupare il canale al massimo per il 10% del tempo, pesato sulla potenza. Un nodo mesh dovrebbe rientrare in una delle due categorie.

Facciamo i conti per un collegamento punto-punto. A 2,4 GHz si parte da 10 dBm EIRP e si perdono circa 9 dB di propagazione in più. A 869 MHz si parte da circa 29 dBm EIRP. Mettiamo pure un pannello da 18 dBi in ricezione a 2,4 GHz: a 869 MHz un semplice dipolo resta comunque avanti di circa 12 dB, e una Yagi come quella di Fabrizio di quasi 20. In Europa i 2,4 GHz non servono per arrivare più lontano. Possono servire solo per collegamenti brevi con vista libera, dove interessa più velocità di trasmissione.

I radioamatori?

Chi ha la patente di radioamatore ha accesso alla banda dei 13 cm, con potenze molto più alte. Il problema è che il servizio di radioamatore non ammette comunicazioni cifrate, e MeshCore cifra i messaggi. Per una rete aperta a tutti non è una strada percorribile.

Anche la banda "personal communication" a 1,9 GHz citata da Beala è una peculiarità americana: in Europa quella zona dello spettro è occupata dal DECT dei telefoni cordless.

E il microcontrollore?

Beala chiude con una battuta: usiamo ancora il Nordic nRF52, quando c'è già l'nRF54. Qui la storia è simile, ma con qualche freno in più.

	nRF52840	nRF54L15
In produzione dal	2018	2024
Processore	Cortex-M4F, 64 MHz	Cortex-M33, 128 MHz
Memoria di programma	1 MB flash	1,5 MB (RRAM)
RAM	256 KB	256 KB
USB	sì	no

L'nRF54L15 è più veloce e ha più memoria, ma per un nodo MeshCore ci sono tre ostacoli:

• Niente USB. Oggi un nodo nRF52 si aggiorna trascinando un file UF2 sul computer, o si collega via USB all'app. Sull'nRF54L15 serve un convertitore seriale o un programmatore SWD. La documentazione di ZephCore lo dice chiaro: niente UF2, si programma via SWD.
• Il software. Il firmware MeshCore ufficiale gira su Arduino, con una copia del core Arduino di Adafruit, che supporta solo la famiglia nRF52. L'nRF54 si programma con Zephyr. È uno dei motivi per cui esiste ZephCore, che ha già una build per la XIAO nRF54L15, ancora non provata sull'hardware.
• Il guadagno reale è piccolo. In un repeater la corrente la consuma soprattutto la radio LoRa, sempre in ascolto, non il processore. Un microcontrollore più efficiente allunga la batteria di un companion, ma non cambia la portata di un metro.

Quindi, se si deve scegliere dove spendere, il chip LoRa conta molto più del microcontrollore. Va detto però che l'MCU si porta dietro anche il Bluetooth, e un nRF54 con un LR2021 sarebbe oggi la coppia più moderna possibile.

Cosa ci portiamo a casa

• Sì ai chip nuovi. Con il tetto di 500 mW ERP, la sensibilità in ricezione è una delle poche leve libere, e LR1110 e LR2021 ne danno qualche dB in più: da 2,5 a 4 con il nostro preset. Vale soprattutto per i repeater.
• Sì alle antenne con guadagno, per lo stesso motivo: aiutano in ricezione anche se in trasmissione vanno compensate abbassando la potenza. La galleria delle antenne serve proprio a questo.
• No, per ora, ai 2,4 GHz per la portata: in Europa LoRa lì resta intorno ai 10 mW. Resta interessante solo per collegamenti corti ad alta velocità.
• Nessuna fretta per l'nRF54: senza USB e senza il core Arduino costa più fatica di quanto renda, almeno finché il firmware non lo supporta bene.
• Da seguire: le modulazioni nuove dell'LR2021 (FLRC, O-QPSK, OOK), che Beala segnala e che nessuno ha ancora provato su una rete mesh.

Beala non aspetta i produttori: ha già fatto stampare una scheda di prova con il modulo LR2021 per la sua rete locale. Se qualcuno nella community italiana vuole fare lo stesso, o ha già un nodo con LR1110 da confrontare con un SX1262 sullo stesso tetto, scriveteci nel gruppo Telegram MeshCore ITA. Una misura vera vale più di tutti questi conti.