LPWAN per applicazioni IIoT

Aumentano le applicazioni IoT e IIoT e cresce l’utilizzo di reti in grado di garantire connessioni economiche a basso consumo, a lungo raggio, soprattutto nei casi in cui le esigenze di velocità sono limitate

Una Low Power Wide Area Network (LPWAN) è una rete per comunicazioni a lungo raggio e a basso bit rate tra “things”. Si differenzia da una WAN classica che ha invece come target comunicazioni tra utenti e aziende con velocità di trasmissione dati e consumi energetici più elevati. Le caratteristiche tecnologiche di una LPWAN sono riassumibili nelle cosiddette “5L”:

  • Low Power, basso consumo, per consentire lunga durata operativa ai dispositivi alimentati a batteria;
  • Long Range, lungo raggio, a garanzia di connettività di dispositivi dispersi sul territorio, da pochi Km a decine di Km;
  • Low Traffic, basso traffico, con pacchetti dati di dimensioni ridotte;
  • Low Cost, basso costo, per impattare il meno possibile sull’economia dei progetti;
  • Low Complexity, bassa complessità, sia di installazione che di utilizzo, con protocolli leggeri che semplificano la  progettazione dell’hardware e abbattono i costi dei dispositivi.

Nella scelta della LPWAN meglio adeguata alle proprie esigenze vanno considerati alcuni parametri di particolare importanza, quali il tipo di applicazione che si vuole realizzare, la facilità di accesso alla tecnologia e alla disponibilità dell’hardware, la banda RF operativa, il data rate reale garantito, la sicurezza delle comunicazioni, la disponibilità di supporto tecnologico del fornitore, il consumo energetico effettivo.

L’ambientazione IIoT

Le LPWAN per comunicazioni wireless in ambientazioni IoT e IIoT sono basate su tecnologie standard, anche se questa accezione è riferibile solo alle reti di tipo cellulare mentre negli altri casi sono standard di fatto, in quanto soluzioni consolidate e ampiamente accettate dal mercato. Per maggior chiarezza, vi sono LPWAN standard al di fuori dello spettro concesso in licenza (banda non cellulare, senza licenza), cioè non in esecuzione sulle reti degli operatori di rete mobile, e Sigfox e LoRa sono le più conosciute. Poi vi sono standard LPWAN cellulari che rientrano nello spettro concesso in licenza, offerte dagli operatori di rete mobile e sviluppate con il 3rd Generation Partnership Project (3GPP), e LTE-M e NB-IoT sono le più note. Parlando di IoT e IIoT non si possono certamente trascurare le soluzioni WiFi che sono però al di fuori del contesto LPWAN. Come chiarimento iniziale, le esistenti tecnologie wireless per la connessione di dispositivi si possono suddividere in tre grandi gruppi: Wireless Personal Area Network (WPAN) che forniscono connettività fino a decine di metri, ed esempi emblematici sono ZigBee (standard basato sulla specifica IEEE 802.15.4, gestito dalla ZigBee Alliance) e Bluetooth Low Energy o BLE (gestito da Bluetooth SIG); Wireless Local Area Networking (WLAN), con portata superiore alle WPAN ma inferiore a quella delle LPWAN, ed esempi sono i WiFi standard 802.11 a/b/g/n/ac; Low Power Wide Area Network (LPWAN), con portata estesa ma basso throughput, ed esempi sono i già citati LoRa, Sigfox, NB-IoT, ma anche, stando ad alcuni esperti di settore, WiFi HaLow. Quest’ultimo è una versione WiFi a bassa potenza, opera nello spettro sub-1GHz con velocità dati nominale di 100-150 Kbps fino a un massimo teorico di 40Mbps, e copertura fino a 1Km: è senz’altro un competitor nell’arena LPWAN e viene definito come “battery-friendly protocol” soprattutto perché prevede sofisticati sleep mode, che consentono ai dispositivi di permanere in stati low power per lunghi periodi di tempo, conservando l’energia della batteria. Proprio in quanto “competitor”, è probabile che WiFi HaLow, soprattutto per il maggiore data rate ottenibile, determinerà per l’ambientazione IIoT un riallineamento delle opzioni LPWAN, che però rappresentano la miglior scelta attuale come copertura e bassi consumi.

LPWAN al di fuori dello spettro concesso in licenza

Le tecnologie cellulari, e non le LPWAN cellulari che sono arrivate in un secondo momento, erano economicamente poco convenienti, per non dire troppo costose, per le applicazioni IoT che tra l’altro richiedono specifiche funzionalità di basso consumo, e di conseguenza alcune organizzazioni hanno iniziato a sviluppare con approcci diversi proprie reti nello spettro mobile senza licenza, creando un ​​proprio ecosistema di partner e “sostenitori”.

SigFox

Tra queste il global network operator francese SigFox con l’omonima rete, gestita nel SigFox-operated Cloud. Prima di entrare nel merito delle caratteristiche tecniche, è importante evidenziare il modello di business: per ogni paese in cui è presente, l’azienda lavora con partner locali (Sigfox network operator) che dispongono di torri per le antenne, proprio come i provider di telefonia cellulare, e da questo un ecosistema ampio ma chiuso. Quindi un’infrastruttura di stazioni base indipendente da reti di telecomunicazioni già esistenti, con modem certificati dall’azienda e un’applicazione Web-based che l’utente configura per veicolare messaggi da dispositivi IoT verso i propri sistemi IT aziendali. L’utente riceve dall’azienda una licenza per la tecnologia modem oppure può acquistare un modem da un produttore certificato e poi integrarlo nel proprio end node IoT, con service provider terze parti che attivano gli Access Point compatibili SigFox per gestire il traffico tra i nodi e i server SigFox che a loro volta rendono disponibile all’utente il traffico dati tramite una API Web-based. Il contenuto e il format dei dati è completamente user-defined, e il sistema SigFox è trasparente rispetto a questi dati, a garanzia che solo l’utente finale è in grado di interpretarli a livello dei suoi dispositivi. La LPWAN SigFox in Europa utilizza la banda da 868 a 868,2MHz e nel resto del mondo, secondo le regioni, una banda tra 902 e 928MHz, in modulazione BPSK (binary phase-shift keying). La velocità di trasmissione dati è da 100 a 600bps (tipicamente 300bps), con un payload (carico utile o messaggio da trasmettere) fino a 12 byte in uplink e 8 byte fissi in downlink. Il payload è indubbiamente limitato ma adeguato alla comunicazione, per esempio, di dati da sensori ambientali, di coordinate GPS o stato di dispositivi. Più stringenti i vincoli operativi: non è possibile inviare più di 6 messaggi da 12 byte all’ora o 140 messaggi al giorno, e il download è limitato a 4 messaggi al giorno, da cui un’ambientazione applicativa che prevede “data burst” infrequenti e di piccola dimensione. Diversamente dai dispositivi cellulari che comunicano con una singola stazione base, il segnale di un dispositivo SigFox è disponibile per tutte le stazioni all’interno dell’area di copertura. Come dettaglio, un dispositivo SigFox invia un messaggio su una frequenza random all’interno dello spettro assegnato per poi ripeterlo due volte su differenti frequenze e intervalli temporali diversi. Questo schema permette di ottenere una diversità in tempo e frequenza che, abbinata alla diversità spaziale stante la presenza di più stazioni base, garantisce livelli elevati di qualità del servizio. Da aggiungere che il basso duty cycle che caratterizza i dispositivi SigFox permette la permanenza in stato idle per la maggior parte del tempo, ottimizzando così la durata della batteria.

LoRa

Altra consolidata LPWAN al di fuori dello spettro concesso in licenza è LoRa, acronimo di Long Range, soluzione originariamente sviluppata dalla società francese Cycleo che ha poi ceduto la tecnologia a Semtech, società di semiconduttori che attualmente fornisce i radio transceivers LoRa, dando però in licenza la tecnologia ad altri fornitori. La tecnologia è quindi proprietaria a livello fisico, ma a lato rete è completamente aperta, con la LoRa Alliance, di cui fanno parte anche IBM e Cisco, che gestisce il protocollo di rete LoRaWAN. Chiunque può gestire una rete LoRa, nel senso che è possibile creare la propria rete, e questa è la grande differenza con il modello SigFox. Un’ampia gamma di fornitori ha scelto di supportare la tecnologia con moduli, dispositivi e gateway, permettendo all’utente finale di fare le sue scelte, pur con Semtech che resta il proprietario della “core radio technology”, in un contesto caratterizzata da un ecosistema aperto diversificato. Da chiarire che per quanto i termini LoRa e LoRaWAN siano utilizzati in modo intercambiabile, il primo si riferisce alla tecnologia per utilizzare lo spettro wireless senza licenza, mentre il secondo indica un protocollo cloud-based che si colloca al di sopra del livello fisico LoRa, creando il livello di rete.

Star of stars

La tipologia viene definita come “star of stars” con gateway che operano da ponte trasparente tra i dispositivi terminali e i server di rete. Le distanze di trasmissione vanno dalle decine di km in ambientazioni favorevoli, a 2-5km in aree densamente popolate, con data rate da 300bps a 100Kbps. Le frequenze utilizzate sono nella banda 915MHz in USA e 868Mhz in Europa, con modulazione proprietaria CSS (Chirp Spread Spectrum). Da citare gli aspetti relativi alla sicurezza, con tre livelli di cifratura: Unique Network Key per il livello rete, Unique Application Key per il livello applicativo e Device Specific Key per il livello dispositivo. Diversificati anche i device, suddivisi in tre classi A, B e C, per diverse modalità di comunicazione bidirezionale. In questa tipologia di LPWAN da citare anche Weightless, famiglia di tecnologie wireless gestite dal Weightless Special Interest Group, in tre versioni per altrettante diverse ambientazioni IoT: Weightless-N per monitoraggio di semplici sensori low cost, Weightless P per comunicazioni bidirezionali, e Weightless W che fa uso dei canali TV white spaces. Tutte le versioni sono in banda sub-1Gigabit, con data rate da 1Kbps a 10Mbps, e range fino a 5 Km.

LPWAN nello spettro concesso in licenza

Le reti “leggere” per applicazioni IoT prime descritte, pur nelle differenze di prestazioni e modelli di business, hanno molte caratteristiche in comune e c’è da chiedersi se qualcuna (e secondo gli analisti tra queste ci sarà LoRa) riuscirà a sopravvivere all’impatto dell’IoT cellulare. Dopo anni di sostanziale abbandono del mercato machine-to-machine, gli operatori mobili, che hanno le dimensioni e il potere per promuovere le loro proposte, si sono svegliati lanciando, con NB-IoT e LTE-M (Long Term Evolution Cat-M1 o LTE-MTC, Machine Type Communication) una nuova generazione di tecnologie focalizzate sull’internet delle cose. Il riferimento a LoRa non è casuale: infatti non compete direttamente con gli operatori perché questi possono adottare LoRa e proporlo loro stessi. Da dire che uno svantaggio di NB-IoT e LTE-M è che entrambe le reti, in una certa misura, hanno una maggiore enfasi sulla velocità dei dati che non sul consumo energetico rispetto alle alternative “leggere”.

NB-IoT

Iniziando da NB-IoT, questa soluzione è sostanzialmente parte della famiglia di tecnologie 5G sviluppate da 3GPP stante l’intenzione, appunto, di integrarla nello standard di quinta generazione. Il punto di forza di NB-IoT, che opera sulla frequenza degli 800 MHz, è la grande densità di dispositivi supportati, circa 100.000 per singola cella, throughput di 200Kbps, copertura superiore ai 20Km, tempi di latenza da 1,6 a 10 secondi circa, non richiede gateway, utilizza la modulazione OFDM/QPSK, ed è utilizzabile solo per applicazioni stazionarie dato che non gestisce l’handoff tra torri cellulari. Il riferimento “narrow” si riferisce al fatto che la tecnologia necessita di una banda di appena 200kHz di ampiezza, per cui può affiancarsi alle bande delle reti cellulari esistenti senza creare interferenze, per esempio nella porzione di banda di guardia di una rete LTE, quindi tra i canali in una porzione inutilizzata dello spettro; consente comunque l’invio di pacchetti dati più che sufficienti per le esigenze di sensori di controllo sparsi, per esempio, all’interno di un impianto produttivo o di un magazzino. In sintesi, NB-IoT risulta adeguato a semplici dispositivi che richiedono piccole trasmissioni di dati intermittenti in cui la latenza non ha importanza.

LTE-M

Nel caso in cui invece la latenza vada considerata, c’è la soluzione LTE-M, che può essere considerata come une versione depotenziata di LTE, con valori da 100 a 150ms, e con caratteristiche tecniche così sintetizzabili: range di copertura attorno ai 10 Km, data rate 1Mbps nella release 13, 4Mbps nella release 14, packet size 100-1000 byte, larghezza di banda 1,4MHz, consumo all’end node attorno ai 100 mW. Da sottolineare che LTE-M, che come anche NB-IoT non necessita di nuove infrastrutture potendosi appoggiare alle attuali reti LTE, utilizza la particolare funzionalità ciclica eDRX (extend discontinuous repletion cycle) in cui i dispositivi possono trasmettere dati secondo una schedulazione non continua, ma definita dall’utente. In dettaglio, quando un device non deve trasmettere non è off ma in modalità sleep, e al momento della trasmissione non serve una riattivazione per il collegamento in rete. Da evidenziare il supporto sia full che half-duplex, il che consente all’utente di abbattere ulteriormente i consumi e aumentare la battery life scegliendo la seconda opzione. LTE-M trova in generale il suo ambito applicativo in casi mission-critical, e la sua velocità di trasferimento dati più elevata può permettere, procedure remote di aggiornamento firmware via etere (FOTA, Firmware Over The Air) dei dispositivi. A differenza di NB-IoT, utilizza le stesse funzionalità di trasferimento tra celle delle normali reti LTE (cellular tower handoff), per cui è garantito il supporto ad applicazioni mobili, per esempio fleet management; è consentito il roaming, da cui applicazioni utilizzabili in più regioni diverse, e anche il voice over the network. NB-IoT e LTE-M sono di fatto tecnologie complementari e alcuni provider di servizi hanno scelto di supportarle entrambe. Come prospettiva, in uno studio della società di analisi di mercato ABI Research si sottolinea che entro il 2026, NB-IoT e LTE-M rappresenteranno il 60% delle connessioni LPWAN.

Aldo Cavalcoli

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